Elia Marin
Dottore In ingegneria. Professore Associato Kyoto Institute ofTechnology
L’essere umano, fin dall’alba dei tempi, ha attinto dalla Natura tutto ciò che riteneva utile per migliorare la propria condizione. Per migliaia di anni, l’incapacità di replicare autonomamente certi materiali complessi ha reso la Natura non solo una fonte di sostentamento, ma anche un insostituibile serbatoio di materiali per ogni tipo d’uso, dalle costruzioni ai rimedi medici. E non serve certo andare indietro nel tempo per trovare tracce di questo rapporto di dipendenza: i nostri vestiti sono ancora spesso fatti con fibre naturali, come lana, cotone e lino, il legno è ancora oggi un prezioso materiale da costruzione per edifici e mobilio e, nonostante l’esistenza dei farmaci di sintesi, i rimedi erboristici sono ancora in vendita sugli scaffali. Per millenni l’ingegno umano si è spesso limitato a prendere ciò che era già disponibile in Natura e modificarlo per adattarlo alle proprie esigenze, non avendo i mezzi per crearlo ex novo. E i biomateriali non fanno certo eccezione.
Trattandosi di una storia lunga millenni, se non decine di millenni, dobbiamo pensare che molte delle conoscenze e pratiche mediche dei nostri avi sono probabilmente andate perdute per sempre. Il più antico manuale di medicina in nostro possesso oggi è il “papiro di Edwin Smith”, che risale all’incirca al 1600 a.C. ed è quasi sicuramente uno dei primi tentativi concreti di codificare le conoscenze mediche e trasmetterle nel tempo. Queste conoscenze hanno però una storia molto più antica, fatta di misticismo, magia e trasmissione orale. Quante di queste tradizioni siano arrivate fino all’Egitto del 1600 a.C., è una cosa che semplicemente non abbiamo modo di determinare.
Un esempio interessante di conoscenza perduta (o presunta tale) la possiamo trovare nei libri di storia orientale. Il più antico testo di medicina cinese è lo Huangdi Neijing, il “Canone di medicina interna dell’Imperatore Giallo”, datato 300 a.C, oltre un millennio dopo il “Papiro di Edwin Smith”. Questo non significa però che non ci siano, nelle fonti cinesi, menzioni a pratiche molto più antiche, basate spesso su miti e leggende. Fonte successive, infatti, sostengono che i cinesi abbiano utilizzato il legno (bambù in particolare) per costruire impianti dentali, una pratica che sarebbe ben antecedente sia alla stesura del canone di medicina,che al papiro. L’idea di utilizzare il legno per questo scopo è intrigante e tutto sommato facile da immaginare, al punto che è non c’è un motivo concreto per non credere sia stato perlomeno tentato. Purtroppo, ad oggi non abbiamo possibilità di verificare se questo sia vero, dato che lo Huangdi Neijing non ne fa menzione e ad oggi non possediamo nessun reperto che possa confermarlo, data anche la naturale deperibilità del legno.
L’uso del legno in odontoiatria è stato sicuramente pratica comune nel vicino Giappone, ma molti secoli più tardi: le famose dentiere di legno giapponesi, sviluppate a partire dal XVII secolo, durante il periodo Edo, rappresentano un esempio eccezionale di ingegno e abilità manuale. Queste protesi venivano realizzate principalmente in legno di bosso, scelto per la sua resistenza e lavorabilità e spesso venivano intagliate a mano per adattarsi alla bocca del paziente. Per assicurare una vestibilità più precisa, si utilizzava una tecnica che prevedeva la creazione di un’impronta della bocca usando la cera d’api, su cui poi si modellava l’impianto. I denti erano scolpiti direttamente nel blocco di legno o, in alcuni casi, completati con inserti in avorio, metallo o un differente tipo di legno.
Queste dentiere sono diventate poi famose anche in Europa e negli Stati Uniti, non solo per la loro efficacia pratica, ma anche per il loro carattere estetico: erano spesso lucidate e rifinite con grande cura, riflettendo l’attenzione giapponese per i dettagli e il rispetto per l’artigianato. Sebbene rudimentali rispetto alle protesi moderne, le dentiere giapponesi rappresentavano una soluzione sorprendentemente avanzata per l’epoca.
Il legno è in genere considerato un materiale “vivo,” ma bisogna anche riconoscere che i requisiti di biocompatibilità per una dentiera sono relativamente indulgenti. Questo ha permesso, nella storia, l’uso di altri materiali sorprendenti, come il piombo, impiegato tra l’altro per la realizzazione delle famose dentiere del presidente americano George Washington. Ma cosa accadrebbe se il legno o materiali simili venissero invece impiantati direttamente all’interno del corpo umano? Fortunatamente, non dobbiamo limitarci a speculazioni: un esempio storico ci viene dai resoconti del chirurgo John M. Carnochan (1817–1887 d.C.), che tentò di utilizzare il legno come materiale per protesi articolari, ottenendo risultati decisamente insoddisfacenti. Oggi sappiamo che il legno, per la sua capacità di assorbire umidità, la sua tendenza a degradarsi, il rischio di generare schegge pericolose e la possibilità che annidi microorganismi nocivi o contenga sostanze tossiche, non è un buon biomateriale..
Nella storia dell’umanità ci sono però state delle notevoli eccezioni: uno straordinario esempio proviene dal Cile precolombiano, dove è stato ritrovato un cranio trapanato risalente all’incirca al 4000 a.C. In questo caso, un frammento di guscio di noce è stato utilizzato per chiudere il foro nella calotta cranica e questo improvvisato impianto si è rivelato un successo sorprendente: l’osso naturale del paziente è infatti ricresciuto nelle porosità del guscio, integrandolo perfettamente e dimostrando un grado impressionante di osteointegrazione. Questa scoperta indica non solo che il paziente è sopravvissuto all’intervento, ma che ha vissuto abbastanza a lungo da permettere il completamento del processo di rigenerazione ossea.
Questo reperto rappresenta un esempio straordinario di innovazione medica in un contesto tecnologicamente limitato e dimostra come, in alcune circostanze, materiali naturali possano superare le aspettative anche nelle applicazioni più delicate, ma seppur straordinario è ancora poca cosa se confrontato con le soluzioni usate pochi secoli or sono dai nativi delle South Sea Islands, nel Pacifico meridionale. Le popolazioni del luogo, infatti, erano solite utilizzare il legno ottenuto dal guscio del cocco per riparare le fratture craniche. Questa pratica ingegnosa sfruttava la robustezza e la forma naturale del guscio, rendendolo un materiale ideale per proteggere il cervello dopo traumi significativi; purtroppo le testimonianze di questa pratica, sporadiche ed aneddotiche, provengono da esploratori e missionari privi di preparazione medica ed è facile immaginare che la probabilità di riuscita di un simile intervento fosse molto limitata, soprattutto considerando che all’epoca i nativi non conoscevano il concetto di sterilizzazione; eppure le testimonianze che possediamo sembrano indicare che questo genere di impianto sia stato relativamente comune.
Dal mondo vegetale provengono anche numerose fibre, come lino, cotone e canapa, che abbiamo utilizzato per secoli con successo per produrre fili di sutura, i cui requisiti di bio-compatibilità sono decisamente più stringenti rispetto a quelli delle dentiere. L’idea di utilizzare una fibra di origine vegetale all’interno del corpo umano è comunque meno bizzarra, nel nostro immaginario collettivo, rispetto a quella di metterci un intero frammento di legno, sebbene i componenti principali, come la cellulosa e la lignina, siano praticamente gli stessi.
Ma andiamo dai boschi, ai fondali: attorno all’anno ‘600 d.C., i Maya hanno iniziato ad utilizzare frammenti di conchiglia come protesi dentali, inserendoli direttamente all’interno dell’osso mascellare. Dal punto di vista chimico, il carbonato di calcio che forma le conchiglie è sufficientemente simile al fosfato di calcio (nella forma di idrossiapatite) delle nostre ossa da “ingannare” le nostre cellule, favorendo così l’integrazione e la rigenerazione dei tessuti circostanti. Utilizzando moderne tecniche tomografiche su questi reperti, abbiamo scoperto che i frammenti col tempo si fondevano letteralmente con l’osso circostante, partecipando così al processo di rimodellamento osseo, dove gli osteoclasti distruggono il materiale che viene poi ricostruito dagli osteoblasti, in un costante ciclo di rigenerazione. Proprio questo processo di fusione tra osso e conchiglia ha probabilmente dato stabilità a questi semplici impianti dentali, un problema per cui in Europa e negli Stati Uniti non abbiamo trovato una soluzione se non verso gli inizi del ventesimo secolo.
Ovviamente, le conchiglie, come le protesi di origine vegetale, presentano una serie di problematiche legate alla biocompatibilità. In primo luogo, possono ospitare microrganismi e parassiti che, se non adeguatamente rimossi, potrebbero scatenare infezioni o reazioni avverse. Inoltre, la piccola componente organica di proteine presente tra i cristalli di carbonato di calcio, seppur minima, potrebbe causare una risposta immunitaria indesiderata nell’organismo, nei migliori dei casi limitata all’ infiammazione della regione circostante, ma che può portare al riassorbimento dei tessuti in contatto con l’impianto o al rigetto dello stesso.
Oggi, però, il mare continua a essere una fonte preziosa di biomateriali, sebbene siamo passati dalle conchiglie ai coralli. I coralli, infatti, grazie alla loro struttura porosa e alla composizione chimica ricca di carbonato di calcio, sono particolarmente adatti come sostituti ossei.
Per renderli biocompatibili e sicuri, vengono però oggi sottoposti a trattamenti specifici: la rimozione delle componenti organiche avviene attraverso processi di calcinazione ad alte temperature, lasciando una struttura minerale pura. Questa matrice minerale, ricca di pori, simula efficacemente la microstruttura dell’osso umano, favorendo la crescita di nuovi tessuti. Inoltre, il carbonato di calcio dei coralli può essere convertito in fosfato di calcio, tipicamente nella forma di idrossiapatite, mediante processi chimici di idrotermalizzazione (un trattamento in cui materiali vengono sottoposti a elevate temperature e pressioni in presenza di acqua, favorendo reazioni chimiche che ne modificano la composizione). Questa modifica rende il materiale ancora più affine alla composizione naturale delle ossa, migliorandone l’integrazione e la stabilità a lungo termine.
Ma invece dei coralli, perché non utilizzare direttamente le ossa?
L’idea di trapianto d’osso è antica quanto la storia umana stessa. Il primo esempio documentato, seppur mitologico, si trova nell’Antico Testamento, quando uno dei fianchi di Adamo fu usato per creare Eva. Nel primo libro della Bibbia, Dio infatti modella una donna da una costola di Adamo: “mentre Adamo dormiva, [Dio] prese una delle sue costole e dalla costola presa dall’uomo fece una donna” (Genesi 2:21–22). Questo racconto, pur essendo simbolico, segna uno dei primi riferimenti al concetto di trapianto, anche se in una forma mitologica.
Tuttavia, esempi concreti di trapianti ossei risalgono a millenni fa. L’antropologo Andronik Jagharian, responsabile di chirurgia operativa presso l’Istituto Medico di Yerevan in Armenia, ha esaminato due crani provenienti dall’antico centro di Ishtikunny, vicino al Lago Sevan. Nel 2000 a.C., questa regione era abitata da un popolo preistorico noto come Khuriti. Sul primo cranio, i chirurghi preistorici avevano inserito un frammento di osso animale per riparare un difetto di 7 mm causato da un trauma. Sappiamo che il paziente sopravvisse, poiché il cranio, esaminato millenni dopo, mostrava segni di ricrescita attorno all’innesto osseo. Sul secondo cranio, furono trovati segni di un intervento chirurgico per riparare una lesione prodotta da un oggetto tagliente che aveva causato un difetto di 2,5 cm e frammentato l’osso. Le analisi mostrano che i chirurghi rimossero i frammenti e che il paziente visse per almeno 15 anni dopo l’operazione.
Avvicinandoci all’era moderna, nel 1682 d.C. il chirurgo olandese Jacob van Meekeren riportava la storia di un soldato russo che ricevette un frammento d’osso di cane per riparare un danno subito al cranio. Nonostante le scarse conoscenze mediche dell’epoca in fatto di sterilizzazione e reazioni immunitarie, la procedura è stata documentata come un successo, sebbene il paziente sia poi stato costretto a chiedere di rimuovere il frammento. Questo non a causa di complicazioni mediche, ma per l’intervento della chiesa cristiana ortodossa, che aveva minacciato l’uomo di scomunica se si fosse rifiutato. Grazie a questa richiesta van Meekeren scoprì che l’impianto era attaccato talmente saldamente all’osso circostante da non poter essere più rimosso.
Nel XVIII secolo, il chirurgo e anatomista scozzese John Hunter diede un’ulteriore svolta alla comprensione della vitalità degli innesti ossei. Nel 1770 d.C., condusse infatti un esperimento sorprendente: trapiantò lo sperone di un gallo nella sua cresta, una parte altamente vascolarizzata. Lo sperone, che è un’escrescenza ossea del tarso-metatarso, contiene una solida massa di osso al suo interno. Hunter osservò, che una volta trasferito, lo sperone cresceva normalmente all’interno della nuova locazione anatomica, dimostrando la capacità di un innesto osseo di integrarsi in un nuovo ambiente vascolarizzato.
L’utilizzo di impianti allografici e xenografici è stato progressivamente abbandonato, o comunque relegato a opzioni di ultima istanza, principalmente a causa dei rischi legati al rigetto immunitario. Sebbene l’osso sia meno immunogenico rispetto ad altri tessuti, non è del tutto esente da problemi: la sua superficie può ospitare antigeni cellulari residui, come proteine associate al tessuto donatore, che il sistema immunitario del ricevente può riconoscere come estranee. Questo può attivare una risposta immunitaria, con conseguente infiammazione, riassorbimento del tessuto trapiantato e, in casi estremi, il fallimento completo dell’innesto. Per ridurre tali rischi, i moderni impianti ossei vengono sottoposti a trattamenti rigorosi, come la deproteinizzazione e la sterilizzazione, per rimuovere il più possibile il materiale antigenico, ma ciò può compromettere la qualità strutturale o bioattiva del tessuto trapiantato. Di conseguenza, si preferisce oggi utilizzare materiali sintetici o autotrapianti, ossia osso prelevato dallo stesso paziente, che elimina quasi del tutto il rischio di rigetto.
Rispetto all’osso, i denti presentano molte meno difficoltà nel processo di trapianto. Già nell’antichità classica, autori greci e romani come Ippocrate e Aulo Cornelio Celso facevano riferimento al trapianto dentale. Ippocrate menzionava l’uso di fili di seta e oro per ancorare i denti alle gengive, mentre Celso, nel suo trattato “De Medicina”, descriveva la possibilità di sostituire denti mancanti con elementi equivalenti prelevati da cadaveri.
Durante il Rinascimento, il chirurgo Ambroise Paré (1510–1590 d.C.), considerato il padre della chirurgia moderna, sviluppò diverse tecniche innovative in campo odontoiatrico. Paré descrisse metodi per estrarre denti, incidere le gengive per favorirne l’eruzione e sostituire quelli mancanti. Tra i suoi successi più celebri, vi è il caso di una principessa che perse un incisivo centrale superiore: Paré trapiantò un dente prelevato da una delle sue cameriere, ottenendo un risultato così soddisfacente che la paziente riuscì a utilizzare il nuovo dente senza difficoltà, come se fosse il proprio.
Con Paré, i trapianti dentali divennero una pratica comune in Europa, diffusa almeno fino all’inizio del XIX secolo. Tuttavia, con il crescere della cultura del consumo, i dentisti iniziarono ad avere difficoltà nel reperire la materia prima, arrivando così a prelevarli da cadaveri o persino acquistarli in grandi quantità dai campi di battaglia. Un esempio famoso sono i cosiddetti “denti di Waterloo,” realizzati con i denti dei soldati caduti nell’omonima battaglia.
Si può discutere se un dente sia un materiale, un organo o un tessuto, ma il concetto di base rimane praticamente lo stesso: il materiale di cui è composto un dente umano, principalmente idrossiapatite con percentuali molto basse di collagene, è in grado di integrarsi perfettamente con l’ambiente biologico circostante, anche se appartenente ad una persona (o un animale) differente.
Come per gli impianti allografici, anche la pratica del trapianto dentale è andata lentamente scomparendo, sostituita dalle più efficaci protesi dentali artificiali.
Oltre all’osso e ai denti, anche i trapianti di pelle vantano una lunga storia che risale a millenni fa. Uno dei primi esempi documentati si trova nell’Enciclopedia Medica di Sushruta, il leggendario medico indiano che visse tra il XII e il VI secolo a.C. . Nel “Sushruta Samhita”, Sushruta descrisse la prima ricostruzione del naso, realizzata utilizzando un innesto cutaneo prelevato dalla guancia del paziente stesso. Nonostante la mancanza di conoscenze sulle tecniche asettiche e sulla meccanica cellulare del corpo umano, i medici dell’epoca riuscivano a mantenere le ferite pulite, a prelevare porzioni di pelle evitando la necrosi e a riattaccarle in modo che potessero essere rivascolarizzate con successo.
Nel 1880, a Chicago, fu tentato un approccio pionieristico con lembi di pelle peduncolati prelevati da un agnello vivo. I lembi vennero applicati sulla schiena di una bambina di 10 anni con ustioni estese, lasciando una parte attaccata all’agnello e l’altra collegata al corpo della paziente, nell’attesa che si formassero nuovi vasi sanguigni. Purtroppo, la bambina morì prima che la procedura potesse essere completata e l’osservazione del medico secondo cui i lembi erano “completamente aderenti e capaci di essere nutriti dal corpo della bambina” , si rivelò a posteriori essere eccessivamente ottimistica, se non scientificamente errata.
Verso la fine del XIX secolo, un’altra ben più comune pratica di innesto cutaneo, prevedeva l’uso di pelle di rana. Rispetto agli agnelli, le rane erano più economiche e la loro pelle presentava vantaggi come l’assenza di peli o piume. Inoltre, la tipica pigmentazione della pelle delle rane tendeva a svanire in pochi giorni dopo il trapianto. Questi innesti venivano utilizzati per coprire aree lesionate, come ulcere alle gambe e ustioni, spesso con risultati positivi. È probabile che, piuttosto che una vera e propria “integrazione”, la pelle di rana offrisse protezione durante il processo di guarigione e, grazie all’attenzione riservata alle medicazioni e all’igiene, contribuisse ad accelerare i processi di guarigione naturale dei tessuti sottostanti.
Che si tratti di materia vegetale o animale, l’analisi delle soluzioni antiche per la creazione di biomateriali, così varie e spesso sorprendenti, ci mostra quanto l’umanità abbia sempre cercato di trarre il massimo dalla Natura per migliorare la propria condizione. Dalle protesi in legno del periodo Edo in Giappone, ai frammenti di conchiglia utilizzati dai Maya, ogni cultura ha saputo sfruttare le risorse disponibili per affrontare le sfide della medicina: dal ripristino della funzionalità ,alla rigenerazione dei tessuti.
Queste pratiche, per quanto ingegnose, ci ricordano anche i limiti insiti nei materiali naturali: la biocompatibilità, la resistenza alla degradazione e la possibilità di rigetto sono stati spesso ostacoli insormontabili. Tuttavia, è importante sottolineare che alcuni di questi materiali naturali sono ancor oggi tra le migliori soluzioni disponibili sul mercato, grazie alle loro caratteristiche uniche e alla loro comprovata efficacia in determinati contesti.
Tali esperimenti rappresentano inoltre le fondamenta su cui si basano le odierne innovazioni. Oggi, grazie alla scienza dei materiali e alla bioingegneria, possiamo spingere oltre i confini di ciò che è possibile, sviluppando biomateriali complessi e personalizzati, che combinano i migliori aspetti dei materiali naturali con le capacità di progettazione dell’uomo. Inoltre, la possibilità di coltivare tessuti direttamente in laboratorio ha spesso eliminato la necessità di prelevarli in grandi quantità da fonti “viventi”, riducendo drasticamente i rischi legati al rigetto ed aprendo nuove frontiere nella medicina rigenerativa.
La storia dei biomateriali non è solo cronaca del passato, ma anche una guida per il futuro: ci insegna l’importanza di osservare la Natura come fonte di ispirazione e di comprenderla al fine di superare i limiti delle conoscenze attuali.