Biomateriali metallici

• acciai inossidabili austenitici

• titanio e leghe a base titanio

• leghe a base cobalto

• altri metalli e leghe

leghe nichel-titanio

amalgami

leghe di magnesio

leghe di tantalio

oro e leghe d'oro

metalli e leghe del gruppo del Pt (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru ed Os)

Applicazioni

Leghe metalliche Si definisce lega metallica una miscela solida mono o

polifasica composta da 2 o più elementi di cui almeno uno,

l’elemento principale, è un metallo. Si distingue tra leghe

monofacisiche e leghe bifasiche.

Esempi: Acciai (leghe Fe-C con tra 0.06% e 2.06 %C), Ghise

(leghe Fe-C con tra 2.06% e 6.67 %C), Bronzo (leghe Cu-Sn),

Ottone (leghe Cu-Zn).

Leghe Combinazione di atomi, ioni o molecole a formare un materiale

le cui proprietà differiscono da quelle dei costituenti (o componenti).

Difetti in materiali metallici

Struttura di leghe metalliche

Classificazioni di leghe

metalliche

Tipologie di acciai

Polimorfismo o allotropia

Forme allotropiche del ferro

Diagramma Fe-C

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8e/Steel_pd.svg

Gli acciai inossidabili, pur rappresentando solo il 2 % della produzione totale di acciaio, costituiscono per la loro particolare resistenza alla corrosione una della classi di acciaio di maggiore interesse tecnologico.

Gli acciai inossidabili austenitici sono essenzialmente leghe ferro-carbonio-cromo-nichel caratterizzate da un’ ottima resistenza alla corrosione garantita dalla presenza di un tenore minimo di cromo del 12% per effetto della formazione sulla superficie del metallo di uno strato sottile (film) di ossido di cromo.

Gli acciai inossidabili, tra tutti i materiali metallici, sono attualmente quelli maggiormente impiegati in campo biomedico sia per il costo contenuto che per le facilità di lavorazione.

Acciai inossidabili austenitici

Dispositivi temporanei di osteosintesi Stabilizzatore esterno modulare (SEM)

Applicazioni AISI 316 L

Dispositivi temporanei di osteosintesi Chiodo omerale

Gli acciai inox contengono

•elementi volutamente aggiunti durante il processo di fabbricazione per migliorarne la qualità e che

sarebbe inutile rimuovere. Manganese e Silicio sono aggiunti durante la fabbricazione per le loro

proprietà deossigenanti e desolforanti. Il Mn annulla o riduce gli effetti negativi dello S, formando il

solfuro che viene poi eliminato nel corso del processo di produzione. Il Mn in eccesso

forma il carburo misto (Fe, Mn)3C. Il Si in eccesso a quello che forma l’ossido (SiO2), anche esso

eliminato in fase di produzione, si ritrova in soluzione solida, migliorando le caratteristiche resistenziali

senza peggiorare eccessivamente la duttilità.

•elementi sempre presenti come impurezze e non eliminabili (Zolfo, Posforo)

Impurezze provenienti dai minerali usati nella produzione dell’acciaio e quindi sempre presenti nel

prodotto finale.

•inclusioni interstiziali non metalliche (Idrogeno, Azoto)

La presenza di questi elementi causano un drastico decadimento della duttilità.

•elementi volutamente aggiunti per migliorare alcune proprietà

:

elementi che ampliano il campo di esistenza della soluzione solida g:

Ni, Mn, Co, Ru, Rh, Pd, As, Ir, Pt (a campo aperto) e C, N, Cu, Zn, Au (a campo chiuso)

elementi che restringono il campo di esistenza della soluzione solida g:

Cr, Mo, W, Al, Si, P, Ti, V, Be, Sn, Sb, S, B, Ta, Zr, Nb, Ce, O

In particolare, nel caso di acciai Fe-Cr-Ni, la presenza in lega di Cr tende a stabilizzare la fase ferritica, le

cui proprietà meccaniche sono inferiori a quella austenitica. Per contrastare questo effetto si aggiunge in

lega anche Ni in grado di stabilizzare la fase austenitica.

Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

Diagramma Fe-Cr

Diagramma Fe-Cr-0.6%C

Diagramma Fe-Ni

Le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione di un

materiale metallico dipendono da:

Composizione

Tecnologia di lavorazione

Trattamento termico

Trattamento termico Insieme di operazioni che consiste in:

• riscaldamento ad una temperatura opportuna;

• mantenimento a temperatura per il tempo necessario

affinche avvengano le trasformazioni desiderate;

• raffreddamento con velocità e modalità diverse in

relazione al tipo di trattamento.

Obiettivo:

modificare la microstrutura e le proprietà di resistenza alla corrosione

Principali trattamenti termici

• Ricottura (annealing)

• Tempra

• Rinvenimento

Effetti della ricottura sulla microstruttura e sulle proprietà

meccaniche di un metallo deformato a freddo

Tecnologie di formatura e lavorazione di materiali metallici

• Fonderia

• Lavorazione plastica

• Metallurgia delle polveri

Laminazione

Estrusione

Forgiatura

Trafilatura

Laminazione

Proprietà meccaniche

Prove meccaniche

• prova di trazione

• prova di compressione

• prova di piegamento

• prova di durezza

• prova di fatica

• prova di creep

Indurimento di materiali metallci

Modulo di Young (E)

Carico di snervamento, resistenza a trazione, allungamento % a rottura

La caratteristica saliente di questa lega è la resistenza alla corrosione in ambiente

clorurato che dipende dalla composizione del bulk e dall’ossido superficiale.

Le proprietà meccaniche di questo materiale dipendono strettamente dal

processo di fabbricazione.

Poiché questo materiale indurisce molto rapidamente, il materiale è prodotto in fonderia

mediante la tecnica di fusione a cera persa.

Mediante metallurgia delle polveri (PM, powder metallurgy) utilizzando la pressatura

isostatica a caldo (HIP, hot isostatic pressing) si ottengono leghe con proprietà

meccaniche nettamente superiori.

Leghe di Cobalto

ASTM F75

Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

Polimorfismo o allotropia

Fusione a cera persa

Metallurgia delle polveri

ASTM F799

ASTM F90

ASTM F562 (MP35N) Lega costituita principalmente da Co e Ni con quantità significative di Cr e Mo.

L’acronimo MP si riferisce alla presenza di fasi multiple (multiple phases).

La combinazione lavorazione a freddo ed opportuni trattamenti termici produce una

microstruttura multifasica costituita di grani CFC in cui sono disperse sottili lamelle EC

tra le quali è presente Co3Mo come precipitato. La famiglia delle leghe MP35N è tra

le più resistenti disponibili per la realizzazione di impianti biomedicali. Lega forgiabile a caldo....

Leghe di Co contenenti anche W e Ni. La presenza in lega di questi elementi

consente di migliorare la lavorabilità del materiale. Allo stato ricotto le proprietà

meccaniche sono confrontabili a quelle di F75, il materiale incrudito al 44% presenta

proprietà meccaniche nettamente migliori.

Getto di lega forgiata a 800 °C. Come risulta dalla Tabella le proprietà meccaniche

incrementano notevolmente rispetto alla F75.

Applicazioni

Il Ti (numero atomico 22, densità 4.51 g/cm3, p.f. 1668 °C) è un elemento allotropico,

può cioè esistere in più forme cristalline. La fase stabile a temperatura ambiente ha

struttura esagonale compatta (EC), ed è anche detta fase a. Al di sopra di 883 °C si

trasforma nella struttura cubica a corpo centrato (CCC), detta fase b.

Titanio

Il Ti è un metallo molto reattivo, quindi si ossida se esposto a specie contenenti

ossigeno. La resistenza alla corrosione del Ti deriva dalla formazione di uno

strato solido ossidico di spessore di 5-20 nm. Il film superficiale, costituito

principalmente da biossido di titanio (TiO2), essendo compatto, duro, aderente,

protettivo e chimicamente molto stabile assicura una eccellente resistenza alla

corrosione.

La combinazione di attributi ottimali di resistenza alla corrosione in ambiente

fisiologico, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche, le applicazioni di

successo di Ti e leghe di Ti in impianti biomedici è indiscutibile. Il limite alla

diffusione di leghe di titanio è rappresentato dall’ alto costo dei pezzi finiti, almeno

un ordine di grandezza superiore a quello dell’acciaio inossidabile.

Polimorfismo o allotropia

Leghe di titanio Le leghe di titanio si suddividono quindi in leghe a, leghe a-b e leghe b in relazione

al tenore relativo degli elementi di lega a-geni o b-geni.

Al, O, ed N stabilizzano la fase a,

Nb, Mo, Ta, Cr, Fe e V stabilizzano la fase b.

Scegliendo composizioni opportune si ottengono leghe bifasiche a-b.

Leghe di titanio a

ISO 5832-2 Ti-CP. (ASTM F 76)

Esistono 4 gradi approvati per applicazioni biomedicali, in base

principalmente al diverso contenuto di ossigeno.

Leghe di titanio a-b non contenenti vanadio

ISO 5832-10 Ti5Al2.5Fe

ISO 5832-11 Ti6Al7Nb

Leghe di titanio a-b

ISO 5832-3 Ti6Al4V (ASTM F136)

ISO…..Ti12Mo6Zr2Fe

ISO…..Ti15Mo5Zr3Al

ISO…..Ti13Nb13Zr

ISO…..Ti30Nb

ISO…..Ti30Ta

Leghe di titanio b

Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

Ti CP (lega a)

Diagramma binario Ti/Al

Diagramma binario Ti/V

Ti6Al4V (lega a-b)

Ti6Al7Nb (lega a-b)

Durezza

Leghe b

TMZF (Ti-12Mo-6Zr-2Fe):stelo femorale (Hipstar, Stryker)

Ti-15 Mo: chirurgia spinale, osteosintesi, applicazioni cardiovascolari

Forme e specifiche mediche sono riportate in dettaglio in una serie di specifiche

nazionali ed internazionali, che includono gli esempi ASTM e BS7252/ISO 5832:

ASTM BS/ISO Indicazione della lega/leghe

F67 Part 2 Titanio non in lega - CP Grades 1 - 4

(ASTM F1341 specifica il filo

metallico)

F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI lavorata plasticamente

(ASTM F620 specifica forgiatura

ELI)

F1472 Part 3 Ti-6Al-4V grado standard (SG) lavorata plasticamente

(F1108 specifica la fusione SG)

F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb lavorata plasticamente

- Part 10 Ti-5Al-2.5Fe lavorata plasticamente

F1580 - CP andTi6Al-4V SG polveri per rivestimento di impianti

F1713 - Ti-13Nb-13Zr lavorata plasticamente

F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe lavorata plasticamente

Applicazioni

Ti e leghe di titanio sono anche ampiamente utilizzate per:

stent intravascolari

valvole cardiache meccaniche

involucri di pace-maker

(dispositivi permanenti di osteosintesi, steli femorali)

Placca femorale,

chiodo intramidollare

(Ti6Al4V)

Archetti di Titanio CP

Stelo femorale retto da cementare

(Ti6Al4V)

Cranioplastica

(Ti CP) Valvola cardiaca meccanica

Stent intravascolare

Proprietà di alcune leghe metalliche per applicazioni ortopediche

Materiali metallici standardizzati ISO

Tipo Sigla ISO Composizione chimica (%) R (MPa) Rs (MPa) Acciai inossidabili AISI 316L 5832-1 D Fe=resto, Cr=17-19, Ni=13-15, Mo=2,25-3,5, N<0,10 690-1100 190-690 AISI 317L 5832-1 E Fe=resto, Cr=17-19, Ni=14-16, Mo=2,35-4,2, N=0,1-0,2 800-1100 285-690 alto N 5832-9 Fe=resto, Cr=19,5-22, Ni=9-11, Mo=2-3, Mn=2-4,25, N=0,25-0,5 740-1800 430-n.d. Leghe di cobalto per getti 5832-4 Co=resto, Cr=26,5-30, Mo=4,5-7, Ni<2,5 665 450 semilavorate 5832-5 Co=resto, Cr=19-21, W=14-16, Ni=9-11 860 310 5832-6 Co=resto, Ni=33-37, Cr=19-21, Mo=9-10,5 800-1200 300-1000 5832-7 Co=39-42, Cr=18,5-21,5, Ni=15-18, Mo=6,5-7,5, Fe=resto 950-1450 450-1300 5832-8 Co=resto, Ni=15-25, Cr=18-22, Mo=3-4, W=3-4, Fe=4-6 600-1580 275-1310 5832-12 Co=resto, Cr=26-30, Mo=5-7, Ni<1 750-1172 550-827 Titanio e leghe di titanio titanio puro 5832-2 G1 Ti=resto, O<0,18 240 170 5832-2 G2 Ti=resto, O<0,25 345 230 5832-2 G3 Ti=resto, O<0,35 450 300 5832-2 G4 Ti=resto, O<0,45 550-680 440-520 Ti6Al4V 5832-3 Ti=resto, Al=5,5-6,75, V=3,5-4,5 860 780 Ti5Al2,5Fe 5832-10 Ti=resto, Al=4,5-5,5, Fe=2,5-3 900 800 Ti7Al8Nb 5832-11 Ti=resto, Al=5,5-6,75, Nb=6,5-7,5 900 800

Modulo di Young

Resistenza specifica