Protesi “viventi”: analisi di una possibile integrazione degli Engineered Living Materials (ELMs) nei materiali protesici per la realizzazione di protesi bioattive di nuova generazione

Millions of people worldwide live with implanted prosthetic devices, and in Italy alone, over 200,000 joint replacement surgeries, particularly of the hip and knee, are performed annually. It is now well established that biomedical prostheses significantly improve patients’ quality of life by alleviating pain and restoring joint function. However, prosthetic implantation is not without potential complications. Among the main issues associated with traditional biomedical devices are wear due to high contact forces and repetitive use, as well as the risk of bacterial biofilm formation, complex, structured layers of bacteria that colonize the surface of prosthetic materials. These biofilms act as protective barriers, rendering microorganisms resistant to antibiotics, leading to device failure and periprosthetic infections that hinder proper integration of the implant. Another critical issue is aseptic loosening, a failure of osseointegration even in the absence of infection. In particular, mechanical loosening, caused by the dynamic physiological response of bone tissue, is one of the major factors limiting implant longevity. In this context, selecting the most suitable material for prosthetic applications remains an open challenge. It is now widely recognized that high mechanical performance alone does not ensure long-term implant success. A mismatch between the mechanical properties of the implant and the surrounding bone tissue can lead to the phenomenon of stress shielding, an altered load distribution that disrupts normal bone remodeling, promotes atrophy, and increases fracture risk. To address these limitations, innovative solutions are emerging, driven by recent advances in engineering and biology, especially through the rise of synthetic biology, a discipline that integrates engineering principles, materials science, and biotechnology. One of the most promising frontiers is represented by Engineered Living Materials (ELMs), which are partially or entirely composed of living cells and are often referred to as "living materials." ELMs represent a paradigm shift in the design of functional materials, offering new, improved, or equivalent properties compared to conventional materials, and may play a decisive role in the development of next-generation biomedical prostheses. The aim of this work is to explore the use of ELMs, considered one of the most promising frontiers in the development of next-generation bioactive prostheses, with a particular focus on engineered biofilms and “smart” coating techniques for one of the most widely used materials in the construction of implantable orthopedic devices: titanium. The genetic, structural, and mechanical aspects related to the design of these new materials will be examined, in order to highlight how their potential applications, as intelligent antibacterial coatings and bioactive interfaces, could represent a step forward toward the realization of “living prostheses".

Nel mondo, milioni di persone vivono con protesi impiantate e, solo in Italia, si registrano ogni anno oltre 200.000 interventi di sostituzione articolare, in particolare a carico di anca e ginocchio. È ormai ampiamente dimostrato che l’impianto di una protesi biomedicale contribuisce in modo significativo al miglioramento della qualità della vita dei pazienti, alleviando il dolore e ripristinando la funzionalità articolare. Tuttavia, anche l’impianto protesico non è esente da potenziali complicazioni. Tra i principali problemi associati all’utilizzo dei dispositivi biomedici tradizionali si annoverano l’usura dovuta alle elevate forze di contatto e alla ciclicità di utilizzo, nonché il rischio di formazione dei cosiddetti biofilm batterici, veri e propri strati di batteri che si sviluppano sulla superficie del materiale protesico, creando barriere che rendono i microrganismi resistenti agli antibiotici, portando alla perdita di funzionalità del dispositivo e allo sviluppo di infezioni periprotesiche, ostacolando di conseguenza la corretta integrazione dell’impianto. Può inoltre verificarsi la mobilizzazione asettica, ovvero una scarsa osteointegrazione anche in assenza di infezione. In particolare, la mobilizzazione meccanica, dovuta alla risposta fisiologica dell’osso, rappresenta uno dei principali fattori che compromettono la durata dell’impianto. In questo contesto, la scelta del materiale più adatto per la realizzazione delle protesi rimane una sfida aperta. È ormai noto che elevate prestazioni meccaniche, da sole, non garantiscono il successo a lungo termine di un impianto. Un errato accoppiamento tra le proprietà del materiale e quelle del tessuto osseo può infatti generare il fenomeno dello stress-shielding, ossia un’alterata distribuzione dei carichi che ostacola il normale rimodellamento osseo, favorendo atrofia e aumentando il rischio di fratture. Per far fronte a queste criticità, stanno emergendo soluzioni innovative grazie ai recenti progressi nel campo dell’ingegneria e della biologia, in particolare con l’affermazione della biologia sintetica, disciplina che integra ingegneria, scienza dei materiali e biotecnologie. Tra le frontiere più promettenti vi sono gli ELMs (Engineered Living Materials), materiali ingegnerizzati costituiti parzialmente o interamente da cellule viventi, noti anche come “materiali viventi”. Gli ELMs rappresentano un cambiamento radicale nella progettazione di materiali funzionali, offrendo proprietà nuove, migliori o equivalenti rispetto ai materiali tradizionali, e potrebbero segnare una svolta decisiva nello sviluppo di protesi biomedicali avanzate. L’obiettivo di questo elaborato è quello di approfondire l’utilizzo degli ELMs, considerati una delle frontiere più promettenti nello sviluppo di protesi bioattive di nuova generazione, con un focus particolare sui biofilm ingegnerizzati e sulle tecniche di rivestimento "intelligente" di uno dei materiali più utilizzati per la costruzione di dispositivi ortopedici impiantabili, il titanio. Verranno esaminati gli aspetti genetici, strutturali e meccanici legati alla progettazione di questi nuovi materiali, al fine di evidenziare come le loro potenziali applicazioni, in qualità di rivestimenti antibatterici intelligenti e interfacce bioattive, possano rappresentare un passo avanti verso la realizzazione di “protesi viventi”