Progetto di un irraggiatore per sangue umano

Introduzione
INTRODUZIONE
Ho scoperto e approfondito la conoscenza delle applicazioni biomediche 
delle radiazioni solo quando ho cominciato ad accompagnare mia madre nelle 
sue lunghe sessioni di radioterapia. Fino ad allora non avevo mai pensato a 
come, una tecnologia inventata dall'uomo per scopi energetici potesse ricoprire 
un'importanza tanto fondamentale nella vita di una persona.
I soggetti malati di patologie legate all'immunodeficienza sono stati nel 
2011 quasi 50 milioni: in termini percentuali sulla popolazione terrestre è un 
numero piccolo, che si attesta attorno allo 0,01% del totale, ma in termini 
assoluti questo numero è grande e non lascia indifferente chi ogni giorno fa 
scienza sta tentando in questi anni di debellare questo tipo di malattie. Uno dei 
vettori per l'insorgenza di patologie in questi soggetti è la trasfusione di sangue 
infetto, cosa che spinge a decontaminarlo dei patogeni più pericolosi.
Questo lavoro di tesi è stato pensato per non essere solo una trattazione 
teorica di concetti già visti e solo rivisitati: è la storia di come è stata pensata 
una piccola invenzione che a parere di alcuni potrebbe avere anche un futuro 
commerciale. Una macchina che possa permettere le operazioni di 
decontaminazione sanguigna nello stesso ospedale, cosa che attualmente  è 
effettuata in centri di irraggiamento specializzati, e che darebbe la possibilità di 
velocizzare e ottimizzare il processo. 
È un lavoro che abbraccia non solo l'ingegneria nucleare propriamente detta, in 
cui rientrano le parti di calcolo dosimetrico e di schermatura, ma anche 
l'ingegneria biomedica, contiene alcune nozioni di medicina, di idraulica dei 
          I
Introduzione
fluidi e di costruzioni di macchine: in questo senso si può dire che, anche se i 
fondamenti teorici non sono qui ampiamente e approfonditamente trattati, si è 
data una forma di lavoro completo, in cui è stato dato più peso alla trattazione 
dell'idea nuova, alla progettazione e alla sperimentazione.
Nel primo capitolo si presenteranno alcuni aspetti medici che riguardano 
la composizione sanguigna, la motivazione per cui viene purificato, le tecniche 
di purificazione attuali e i progetti di ricerca che lavorano in questo ambito, per 
dare un'idea dell'area in cui ci si sta muovendo.
Nel capitolo seguente si analizzeranno i fondamenti teorici che stanno 
alla base del lavoro: dopo un breve excursus su come le radiazioni ionizzanti 
sono oggi utilizzate in diversi campi di applicazione, si parlerà di decadimento 
radioattivo, di come avviene e di come l'energia da esso prodotta viene 
trasportata e depositata nella materia animata e inanimata; sarà poi trattata la 
parte di dosimetria che si occupa di calcolo di dose emessa e assorbita, si 
daranno dei cenni di come le fonti vengono prodotte al fine di essere produttrici 
di radiazioni ionizzanti e infine si tratterà di radioprotezione e, legata a questa, 
di legislazione.
L'ultimo capitolo è infine dedicato alla presentazione del progetto vero e 
proprio, che come detto costituisce la parte fondamentale di questa tesi: la 
costruzione del prototipo iniziale, che è solo servito come base per analogia con 
il prototipo vero, il calcolo di dose trasferita e i disegni 3D del dispositivo 
definitivo. 
Si cercherà per quanto possibile di riportare le tabelle ed i grafici 
utilizzati, e per quanto mancante si rimanda alle appendici presenti al termine 
del lavoro, e al cd-rom in allegato che contiene tutti i formati elettronici dei file 
prodotti non inseriti per non appesantire eccessivamente la trattazione.
          II
Introduzione
Credo fermamente che il fare del bene per qualcun altro sia una delle 
caratteristiche più importanti dell'essere umano, che lo distingue dell'animale e 
che lo rende a lui superiore. 
Tutti quanti abbiamo la possibilità, e per certi versi anche il dovere, di dover fare 
qualcosa per gli altri, e questo dovere può concretizzarsi nelle azioni di tutti i 
giorni, nelle piccole cose che solo noi sappiamo di fare.
Io non so chi leggerà questo lavoro, se qualcuno (o io stesso) trasformerà 
quest'idea da una tesi in un oggetto vero e funzionante, ma so che uno dei valori 
che mi ha ispirato a portarlo avanti e a terminarlo con passione è stato usare le 
mie capacità per fare qualcosa che, forse, un giorno potrà essere utile a 
qualcuno.
          III
Il sangue
CAPITOLO 1
IL SANGUE
1.1   COMPOSIZIONE, COMPITO CIRCOLATORIO E UTILIZZO 
EXTRACORPOREO
Il sangue é, per sua definizione scientifica, un tessuto connettivo allo 
stato liquido, di alta viscositá, presente nel sistema circolatorio degli animali 
[1].
Questa definizione ha bisogno di alcune precisazioni, a partire dal 
significato di tessuto: esso é definito come un’aggregazione di cellule altamente 
specializzate, con caratteristiche strutturali e biochimiche adeguate a svolgere 
funzioni specifiche nell’organismo umano [2]. É in pratica un’aggregazione 
stabile di cellule simili, che vengono tenute insieme in qualche modo, e che 
tende a mantenersi stabile con un continuo ricambio delle cellule morte con 
nuove cellule. Tale rinnovamento é operato da cellule giá differenziate, simili a 
quelle del tessuto da riparare o da cellule staminali, non ancora differenziate e 
quindi in grado di dare origine a molti tipi di cellula. 
I tipi di tessuti sono diversi e i principali sono quello epiteliale, nervoso, 
muscolare e connettivo: il sangue fa parte di quest’ultimo, ovvero é deputato al 
collegamento, rivestimento e delimitazione di altri organi e tessuti. Sembrerebbe 
Capitolo 1          1
Il sangue
un tessuto secondario, ma la sua presenza é fondamentale per la sopravvivenza 
degli altri tessuti; nella pratica esso é un insieme di cellule disperse in una 
sostanza intercellulare (matrice), e in condizioni di normalità non viene a 
contatto con l’ambiente esterno. Essendo formato da queste due parti 
interagenti, si trovano in generale cellule deputate al mantenimento della matrice 
e cellule con altre funzioni speciali. 
A seconda di tipo, quantità e disposizione delle fibre presenti e alla 
composizione della matrice si possono ulteriormente distinguere tessuto 
connettivo propriamente detto, liquido e di sostegno [3], e il sangue rientra 
chiaramente nel secondo di questi. 
La “connettività” del tessuto sanguigno é data dalla presenza di una 
matrice liquida, o plasma, e una parte corpuscolare, essenzialmente globuli 
rossi, bianchi e piastrine: nell’uomo la parte plasmatica é il 55% e quella 
corpuscolare é il 45%, nella donna queste percentuale sono del 60% e 40%. 
Il plasma è un liquido di color giallo composto per il 90% da acqua, per il 7% 
da proteine, per lo 0,1% da altre sostanze organiche e per lo 0,9% da sostanze 
inorganiche. La proteina maggiormente rappresentata (60% del totale) è 
l'albumina, che ha il compito di mantenere la pressione osmotica costante, 
numerose le globuline (35% del totale), di cui fanno parte, tra le altre, le 
globuline β con funzioni di trasporto ionico, di ormoni e di lipidi, e le 
immunoglobuline o anticorpi, che partecipano alla difesa immunitaria. Un'altra 
nota proteina è il fibrinogeno (5% del totale), la forma inattiva della fibrina, 
fondamentale per la costituzione dei coaguli. Il plasma contiene anche glucidi, 
principalmente sotto forma di glucosio, nonché lipidi come i trigliceridi e 
i fosfolipidi, quindi numerosi ioni ( Mg2+,  Na+, K+,  Cl-,  Ca2+ ), acido 
urico, urea, ammoniaca, ed altri cataboliti.
Gli elementi corpuscolari presenti nel sangue si originano da cellule 
prodotte nel midollo osseo, nella milza e nelle linfoghiandole.  Questo tessuto è 
Capitolo 1          2
Il sangue
presente nelle ossa di tutto l'organismo in quantità variabile dai 3000 ai 4000 
cm
3
; tuttavia la parte di esso effettivamente adibita alla produzione, e cioè il 
midollo osseo rosso, si aggira sui 1500 cm
3
.
In questo volume di midollo rosso vengono fabbricati in un giorno circa 250 
miliardi di globuli rossi, 15 miliardi di globuli bianchi e 500 miliardi di 
piastrine, generati da un progenitore comune che si chiama emocitoblasto, a 
causa di un processo chimico di differenziazione chiamato ematopoiesi. 
Immaginando che la fabbricazione di cellule sia abbastanza uniforme, in un 
minuto vengono riversati nella circolazione 170 milioni di globuli rossi, 10 
milioni di globuli bianchi e 340 milioni di piastrine. Questo significa che 
approssimativamente per ogni globulo bianco vengono formati 17 globuli rossi e 
34 piastrine e che, per ogni globulo rosso giunto a maturazione vengono formate 
2 piastrine. 
I globuli rossi ( in linguaggio tecnico eritrociti) sono gli elementi 
anucleati più numerosi del sangue, nell'uomo adulto raggiungono i 5 
milioni/mm
3
, nella donna 4,5 milioni/mm
3
, hanno un diametro di 7-8 µm. Hanno 
la forma di un disco biconcavo, che facilita gli scambi per diffusione 
della membrana plasmatica, e, non possedendo nucleo (lo perdono durante 
l'emopoiesi), non possono essere definite quali cellule vere e proprie. 
Il citoplasma degli eritrociti è d'aspetto omogeneo e contiene una proteina 
fondamentale affinché essi svolgano la loro funzione principale, cioè quella di 
trasportatori d'ossigeno, detta emoglobina. L'emoglobina è un tetramero formato 
da quattro unità di globulina (due catene α e due catene β), che racchiudono 
ciascuna, in una gabbia di amminoacidi idrofobici, un gruppo eme, 
contenente ferro bivalente. La particolare posizione del gruppo eme determina la 
difficoltà per agenti esterni di ossidare il ferro bivalente al suo interno in ferro 
trivalente, in tal caso infatti l'ossigeno sarebbe legato irreversibilmente alla 
proteina e quindi inutilizzabile per gli scambi.
Capitolo 1          3
Il sangue
I leucociti (o globuli bianchi) sono cellule, contenenti un nucleo, più 
grandi ma meno numerose dei globuli rossi, in condizioni normali la loro 
concentrazione nel sangue è di circa 7000/mm
3
; essi hanno inoltre il compito di 
difendere l'organismo dagli attacchi di agenti patogeni quali batteri o virus 
migrando nel sangue per mezzo di agenti chemio-attraenti che permettono loro 
di raggiungere la sede dell'infiammazione. I leucociti si distinguono in 
granulociti e agranulociti in presenza o in assenza di granuli nel citoplasma.
Le piastrine, infine, svolgono un ruolo essenziale nella coagulazione del 
sangue. Esse (che tecnicamente si chiamano trombociti) non sono vere cellule 
ma frammenti derivati da grandi cellule prodotte dal midollo osseo, che 
prendono il nome di megacariociti. Quando un vaso sanguigno è danneggiato, 
vengono richiamate nella zona interessata le piastrine, che si aggregano 
aderendo alla parete liberando una sostanza che trasforma il fibrogeno (proteina 
plasmatica) in fibrina. Questa sostanza, forma una rete di fibre in cui si 
impigliano gli eritrociti formando un grumo (il coagulo). La barriera del sangue 
coagulato e delle piastrine arresta la fuoriuscita del sangue. La concentrazione 
delle piastrine nel sangue è di circa 250000/mm
3
.
Riassumendo dunque le funzioni svolte da questo particolare tessuto, si 
evidenziano in particolare il trasporto dei gas respiratori dalle sedi di scambio 
negli alveoli fino alle cellule più periferiche e anche in senso contrario, trasporto 
degli elementi nutritivi assorbiti a livello intestinale fino alla sede di utilizzo, di 
farmaci e di prodotti di scarto, di elementi di difesa quali globuli bianchi, 
piastrine e anticorpi, e infine il mantenimento di proprietà fisiche quali il pH e la 
temperatura costanti (il che può servire per assorbire calore in eccesso dai 
muscoli caldi, o cederlo quando essi sono freddi). 
Purtroppo le particelle trasportate nei vasi non sono solo utili e benefiche: si 
incontrano anche sostanze dannose o potenzialmente pericolose, come batteri, 
Capitolo 1          4
Il sangue
virus e tossine di molti tipi che se non vengono neutralizzate dagli elementi 
corpuscolari difensori possono dar luogo a eventi indesiderati.
1.2   PERCHE' PURIFICARE SANGUE
Oltre che svolgere il suo fondamentale ruolo all’interno del corpo 
umano, é possibile utilizzare il sangue anche fuori dalla sua sede naturale, ad 
esempio per circolazione extracorporea durante le operazioni cardiache o per la 
riossigenazione. É da molto tempo utilizzato per le trasfusioni, a vantaggio di 
soggetti con carenze immunitarie, malattie ematiche o che hanno subito perdite 
ingenti, in modo da ripristinare le condizioni ottimali di funzionamento 
corporee. Molti problemi sono stati riscontrati cercando di trasferire sangue da 
una persona sana ad una malata prima della scoperta dell’esistenza dei gruppi 
sanguigni e del fattore Rh [4], che aprirono la strada per le trasfusioni 
sanguigne. 
Questo procedimento si ritiene oggi molto utile, anzi indispensabile in molte 
condizioni patologiche e chirurgiche, in cui é possibile trasferire sangue 
completo o solo alcuni dei suoi costituenti, attraverso tecniche di separazione di 
tipo centrifugante, che sfruttano il loro diverso peso molecolare. Attualmente il 
processo di trasfusione si compone nella raccolta di sacche di sangue da circa 
450 ml, che vengono sottoposte ad analisi approfondite per verificarne lo stato e 
successivamente sono conservate per un tempo ed una temperatura differente a 
seconda del prodotto: il sangue intero ed i globuli rossi sono conservati tra 2 e 
6°C per un massimo di 42 giorni, i concentrati di globuli rossi sono congelati a 
-80°C e resistono anche anni, il plasma congelato a -30°C circa 12 mesi, le 
piastrine resistono a temperatura ambiente per circa una settimana, i globuli 
bianchi vanno invece utilizzati nel giro di poche ore dal prelievo [5].
Capitolo 1          5
Il sangue
É però possibile che il sangue prelevato presenti problemi di qualche tipo 
che possano dare luogo a rigetti da parte del ricevente o allo sviluppo di 
patologie: é quindi necessario che gli agenti che causano questi problemi siano 
distrutti prima che il sangue venga iniettato, ovvero prima che possano 
manifestare la loro attitudine ad infettare il ricevente. Si tratta di un processo di 
decontaminazione, che può risultare necessario sia nel caso in cui il sangue 
venga poi destinato ad altri soggetti sia nel caso in cui venga reinserito 
nell’organismo da cui proviene.
Innanzitutto bisogna chiedersi quali sono i microrganismi che possono 
creare problemi e che la tecnologia medica é in grado di distruggere. Si 
riporteranno qui brevemente le principali malattie emotrasmissibili, 
identificandone l’agente patogeno:
- La Tripassinomiasi Americana è una infezione sistemica di natura 
endemica e di evoluzione cronica, causata da un protozoo, il 
Trypanossoma cruzi. Abitualmente è trasmessa all’uomo per la puntura 
di un insetto simile ad un moscerino, chiamato bicudo, ma oltre a questa 
via di trasmissione esiste una trasmissione congenita, per trasfusione di 
sangue, per latte materno, per via orale o per trasfusione di organi. 
Questa malattia è abbastanza comune nell’America centrale e latina; in 
Brasile affetta circa centomila persone l’anno, con un complessivo di tre 
milioni; il modo oggigiorno utilizzato per combattere la diffusione di 
questa malattia è l’uso di un pesticida specifico nelle zone in cui la 
presenza di questo insetto è diffusa; dal punto di vista della vigilanza 
ematica, tutti i prodotti sanguigni sono in grado di trasportare il 
protozoo, e la situazione per quanto riguarda la trasmissione per via 
ematica è già molto migliorata dagli anni ’70 in cui la contrazione della 
malattia per via trasfusionale era del 10% a oggi, che è dell’1%;
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Il sangue
- Le epatiti virali sono malattie provocate da diversi agenti eziologici 
distinte con lettere dalla A alla G a seconda del tipo di trasmissibilità 
(sessuale-parentale o orale): sono diffuse a livello universale, con 
differenze nelle entità della malattia dipendendo da regione a regione. 
Dal punto di vista ematologico le più interessanti sono le epatiti B e C, 
dal punto di vista trasfusionale, tutti i soggetti che hanno avuto epatite 
fino a dieci anni precedenti al momento della possibile trasfusione sono 
inadatti a donare sangue;
- Altro importante virus trasmissibile per via ematica è il Virus 
linfotropico delle cellule, o HTLV: è molto diffuso nell’estremo oriente, 
nei caraibi, in America Latina e in Africa. La trasmissibilità avviene per 
via ematica, uso di droghe iniettabili e da madre a figlio, oltre che per via 
sessuale;
- La malaria è una malattia infettiva acuta causata da protozoi trasmessi 
dalla puntura di un particolare tipo di zanzara chiamata Anofele, di cui 
esistono molte sottospecie a seconda della regione geografica; non c’è 
passaggio diretto della malattia da persona a persona, ma potrebbe 
verificarsi in caso di trasfusione o condivisione di aghi di siringhe; in 
regioni particolarmente suscettibili a questo tipo di malattie, come 
l’Amazzonia in Brasile, lo sviluppo economico non sta portando 
sufficienti miglioramenti, in quanto la necessità di costruire nuove 
infrastrutture ha costretto parte della popolazione più povera ad emigrare 
verso le zone più interne dello stato, concentrandosi così in aree più 
malarigene; 
- La sifilide, malattia infettiva con evoluzione cronica, soggetta ad 
acutizzazioni che possono portare all’infettarsi di altre parti del corpo; è 
causata dal batterio Treponema Pallidum, e oggigiorno i controlli sul 
sangue per donazione consentono di identificarne in maniera 
inequivocabile la presenza;
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