I MATERIALI METALLICIPropriet:

Elevato modulo elastico (100-200 GPa) e carico di snervamento (300-1000 MPa) sono in grado di sopportare carichi elevati senza grandi deformazioni elastiche e plastiche permamenti Buona duttilit si deformano plasticamente invece di rompersi fragilmente e pertanto, nel caso in cui di superi il carico di snervamento, non si arriva generalmente alla rottura, ma solo alla deformazione plastica della struttura

Ci permette la sostituzione del componente deformato prima che si rompa!!

I MATERIALI METALLICI-2Continua propriet:

Elevata resistenza a fatica meccanica situazioni che prevedono cicli di carico

ideali per

Malleabilit: sono generalmente facili da lavorare utilizzando gran parte delle tecnologie tradizionali, con propriet meccaniche migliorabili con opportuni trattamenti prima che il pezzo raggiunga la forma finale Biocompatibilit: buona, dal punto di vista della finitura superficiale, possibili problemi in relazione alla corrosione in ambiente biologico

I MATERIALI METALLICI-3Vastamente impiegati in campo biomedico:consentono per esempio di costruire protesi di piccola sezione capaci di sopportare carichi elevati con cicli di lavoro, permettendo cosi la sostituzione di tessuti duri, come ossa o radici Strumenti chirurgici (bisturi, etc.) Protesi ortopediche e dentali Mezzi di osteosintesi (piastre, viti, etc.)

I RETICOLI CRISTALLINII materiali metallici sono solidi cristallini, caratterizzati cioe da atomi disposti in maniera ordinata, secondo dei reticoli cristallini Strutture geometriche 3D (celle) che si ripetono nello spazioEs. reticolo di NaCl

I RETICOLI CRISTALLINI-2In un reticolo cristallino si definisce cella elementare la piu piccola struttura tridimensionale che si ripete nello spazio Le celle elementari possono essere classificate in termini puramente geometrici Esistono 14 tipi di celle elementari (reticoli di Bravais)

I RETICOLI CRISTALLINI-3I metalli elementari presentano solo tipi di 3 reticoli cristallini: CCC, CFC e EC

I RETICOLI CRISTALLINI-4

IMPERFEZIONI NEI SOLIDI CRISTALLINIDifetti puntuali, lineari (dislocazioni) o di superficie (bordi di grano)

DIFETTI PUNTUALIa) Vacanza (assenza di un atomo da una posizione reticolare) b) Atomi autointerstiziali (atomi che occupano una posizione non reticolare) c) Atomi sostituzionali (atomi di elementi diversi che occupano posizioni reticolari) d) Atomi interstiziali (atomi di elementi diversi che occupano posizioni non reticolari)

IMPERFEZIONI NEI SOLIDI CRISTALLINI-2Difetti puntualisollecitazioni (compressione o trazione) nel reticolo, a seconda che nel reticolo ci siano atomi in eccesso o in difetto diffusione atomica mediante meccanismo per vacanze (Fig. 6.8)

IMPERFEZIONI NEI SOLIDI CRISTALLINI-3A causa dellanisotropia (a livello reticolare), esistono piani di scorrimento preferenziali di una parte del reticolo sullaltra

IMPERFEZIONI NEI SOLIDI CRISTALLINI-4Lo scorrimento si verifica quando lo sforzo di taglio supera un livello critico che dipende dalle forze di legame degli atomi nel reticolo; es. reticolo cubico: cr 10-1G, dove G il modulo di elasticit tangenziale

la differenza tra il valore teorico e quello Nei reticoli reali cr 10-4G reale legata al concetto di difetti lineari o dislocazioni

DISLOCAZIONIDifetti lineari presenti nel reticolo Ne esistono di 2 tipi: a spigolo o a vite Misurabili mediante il circuito di Burgers, ottenuto riportando un circuito reticolare chiuso di un reticolo perfetto in un reticolo contenente la dislocazione: per poter chiudere il circuito occorre aggiungere un vettore di Burgers, il cui modulo un multiplo intero di distanze reticolari D. a spigolo: vettore e circuito di Burgers giacciono sullo stesso piano D. a vite : vettore di Burgers perpendicolare al piano in cui giace il circuito

DISLOCAZIONI-2La presenza delle dislocazioni riduce le dimensioni del piano di scorrimento rispetto al caso di reticolo perfetto la resistenza allo scorrimento dei piani reticolari si riduce Durante la deformazione plastica le dislocazioni si muovono:

Caso dislocazioni a spigolo:

DISLOCAZIONI-3

Caso dislocazioni a vite:

Durante la deformazione plastica le dislocazioni si muovono Muovendosi su piani diversi, il loro incontro pu bloccarle il materiale si irrigidisce

DIFETTI DI SUPERFICIE (BORDI DI GRANO)I solidi non sono monocristalli ma aggregati policristallini ed i singoli cristalli (grani) sono orientati casualmente (isotropia del materiale)

Vicinanza tra reticoli orientati diversamente nei bordi di grano distorsioni (difetti) reticolari il materiale policristallino meno stabile del monocristallo

PROPRIET DEI MATERIALI METALLICIOttimi conduttori elettrici e di calore (legame metallico) Propriet di tipo elasto-plastico Comportamento a fatica meccanica: dipendenza dal no di cicli non dalla frequenza

LEGHE METALLICHEUnione di due o pi elementi metallici combinati in diverse percentuali:Possono esistere in ampi intervalli compositivi (a differenza dei composti ionici o covalenti) ma esistono rapporti preferenziali dei diversi elementi che hanno una maggiore stabilit Possono essere presenti anche elementi non metallici (es. carbonio) Diagrammi di fase: in un piano composizione-temperatura rappresentano le regioni di esistenza delle fasi allequilibrio (il pi semplice leghe binarie)

DIAGRAMMI DI FASERappresentano in un piano composizione-temperatura gli intervalli di esistenza delle fasi allequilibrio

TA

Liquido LL+TB

Solido

A e B = metalli puri TA e TB = temperature di fusione dei metalli puri L = campo di esistenza della miscela metallica omogenea allo stato fuso = campo di esistenza della soluzione solida costituita da A e B L+ = campo di esistenza delle miscele della fase solida () e della liquida (L)

LINEA DEL LIQUIDUS: adiacente al campo di esistenza della fase liquida e fornisce le temperature a cui ognuna delle leghe liquide possibili comincia a separare del solido. LINEA DEL SOLIDUS: adiacente al campo di esistenza della fase solida e rappresenta per ogni temperatura la composizione del solido in equilibrio con una fase liquida in via di solidificazione.

DIAGRAMMI DI FASE-2Esempio (Pd-Ag)

DIAGRAMMI DI FASE-3

L = campo di esistenza della miscela metallica omogenea allo stato fuso E = eutettico (la lega fonde improvvisamente come metallo puro) , = fasi solide ricche rispettivamente di A e B L+, L+ = miscele di una fase solida ( o ) e una liquida (L) + = regione solida contenente sia grani di sia di

DIAGRAMMI DI FASE-4Esempio (Pb-Sn)

DIAGRAMMI DI FASE-5REGOLA DELLA LEVA

Serve per calcolare la percentuale di ciascuna fase: Esempio: punto X (L+ solido ) Percentuale di L: %L:100=(X-X):(XL-X)

LEGHE METALLICHE NEL SETTORE BIOMEDICO

Presentano in genere diagrammi di fase piuttosto complessi (presenza di differenti fasi solide di diversa composizione ma anche, a parit di composizione, di diversa struttura cristallina)

PROCESSI PRODUTTIVIStadi principali: a) Fabbricazione della legaestrazione dei metalli dai minerali mescolamento (stato fuso) dei componenti nelle proporzioni richieste lingotti, barre, tondi Rifusione e colata in stampi Deformazioni plastiche a caldo o freddo Asportazione di truciolo Sinterizzazione

b) Solidificazione della lega-

c)

Formatura-

d) Trattamenti termici e) Finitura superficiale e pulitura f) Controllo

PROCESSI PRODUTTIVI-2a) Fabbricazione della lega estrazione dei metalli dai minerali mescolamento allo stato fuso dei componenti la lega solidificazione in lingotti, o direttamente in tondi o barre (colata continua) di dimensioni elevate Fusione e successiva colata in opportuni stampi (es. Fig. 6.18)

b)

c) d) e)

Deformazione plastica a caldo o freddo Asportazione trucioli Trattamenti termici

ottenimento di barre, lamiere, fili, etc.

ESEMPI DI COLATA

ESEMPI DI COLATA-2

DEFORMAZIONI PLASTICHE A CALDO O FREDDOProcessi di ForgiaturaE' il procedimento per mezzo del quale si producono componenti mediante deformazione plastica, tipicamente a caldo ma pu essere talvolta condotta a freddo, di alcuni materiali. Durante questo processo, si sottopone il pezzo a pressioni di urto o graduali per fagli assumere la forma voluta. La forgiatura prende anche il nome di "fucinatura" e in molti casi consente di impartire al materiale caratteristiche meccaniche molto elevate e quindi migliori di quelle che avrebbe lo stesso componente, utilizzando il medesimo materiale, se fosse ottenuto per colata.

PROCESSI DI FORMATURAConsentono lottenimento di pezzi finiti a partire da lingotti o barre F. meccanica a freddo deformazioni plastiche a freddo (impilamento di dislocazioni) propriet meccaniche superiori rispetto a quelli per colata Esempi: laminazione, trafilatura, imbutitura

PROCESSI DI STAMPAGGIODetta anche forgiatura a stampo Si effettuano successive compressioni su stampi via via pi simili alla forma finale del pezzo Possono essere effettuati a caldo o a freddo

Altri processi: asportazione di truciolo (taglio, tornitura, etc.) solo la superficie del pezzo

modificano

METALLURGIA DELLE POLVERIMateriale di partenza: polveri della lega o dei suoi componenti elementari (tipiche dimensioni: 50-100 m) Vengono disposte in uno stampo chiuso e riscaldato Ladesione tra le polveri si ottiene attraverso meccanismi di diffusione (sinterizzazione) Consente di ottenere pezzi di forma complessa con microstruttura omogenea e dimensione dei grani molto fini Il pezzo prodotto pu richiedere ulteriori trattamenti Viene utilizzato sopratutto per la produzione di materiali ceramici

TRATTAMENTI TERMICISi fanno allo scopo di migliorare le propriet meccaniche a seconda delle esigenze Principali trattamenti termici: Ricottura Tempra Invecchiamento

RICOTTURARiscaldamento ad una temperatura nellintervallo 0.33-0.5 Tfusione e lento raffreddamento

Si favoriscono i fenomeni di diffusione e produce una riduzione dello stato di tensione nel materiale

Miglioramento delle caratteristiche di duttilit

TEMPRAParziale ricottura seguita da un brusco raffreddamento

Formazione di fasi non allequilibrio dette metastabili (totale solubilit alle alte T e parziale a basse T)

Indurimento del materiale

INVECCHIAMENTOLungo riscaldamento della lega a T inferiori a quelle di ricottura

Formazione di composti (intermetallici, carburi, ossidi) con elevate propriet meccaniche

Aumento del carico di rottura e di snervamento

TRATTAMENTI TERMOCHIMICIModificano la superficie dei materiali dal punto di vista chimicoCarburazione: reazione del C con la superficie degli acciai indurimento superficiale Nitrurazione: simile alla carburizzazione ma la reazione con lazoto Passivazione: conversione di alcuni elementi in lega (Cr, Ti, Al) in ossidi formazione di una pellicola protettiva di ossido migliorano le propriet anticorrosive Formazione di leghe superficiali: si modifica la composizione della lega a livello superficiale, mantenendo inalterate quelle del cuore del pezzo

ALTRI TRATTAMENTI SUPERFICIALIProcessi di finitura superficiale: particolarmente importanti nel settore dei biomateriali: Lucidatura: lavorazione meccanica delle superfici metalliche mediante limpiego di polveri molto dure e fini Sabbiatura: bombardamento della superficie del pezzo mediante particelle estranee pulizia e indurimento superficiale (deformazione plastica indotta dagli urti)

LA CORROSIONEHa luogo quando gli atomi metallici si ionizzano e vanno in soluzione o si combinano con ossigeno, formando composti che si dissolvono o si distaccano dal pezzo metallico La biocompatibilit dei metalli legata alla facilit o meno della loro corrosione in ambiente biologico: i fluidi biologici (ambiente aggressivo in quanto soluzione acquosa di ioni e proteine) hanno infatti un elevato potere corrosivo nei confronti dei metalli

LA CORROSIONE-2Pu provocare: la perdita di funzionalit dellimpianto, dovuta al peggioramento delle propriet meccaniche la contaminazione sia dei tessuti circostanti che dellintero organismo, con ioni metallici spesso tossici, con danno anche grave per la salute del paziente (es. metallosi)

MECCANISMO DI CORROSIONEMeccanismo elettrochimico (es. ossidazione del Fe) Soluzione aerata: Soluzione non aerata: Fe + O2 + H2O Fe2+ + 2 OHFe + 2H+ Fe2+ + H2

Risultante da 2 reazioni complementari: R. anodica: ossidazione del metallo Fe Fe2+ + 2e R. catodica: consuma gli elettroni liberati dalla r. anodica O2 + H2O + 2e- 2 OH(ambiente aerato) 2H+ + 2e- H2 (ambiente non aerato)

R. anodica e catodica devono essere bilanciate nelle cariche e avvenire contemporaneamente e alla stessa velocit

MECCANISMO DI CORROSIONE-2R. anodica e catodica devono essere bilanciate nelle cariche, avvenire contemporaneamente e alla stessa velocit Il passaggio di elettroni dallanodo al catodo corrente a livello microscopico passaggio di

Se si rallenta o la r. catodica o quella anodica si riduce la velocit di corrosione

POTENZIALE ELETTROCHIMICOPotenziale elettrochimico di un metallo o di elettrodo (E):Definizione: rappresenta la forza elettromotrice di una pila costituita dal metallo e dallidrogeno (E=0) Condizioni termodinamiche per la corrosione: pot. del processo catodico (Ec) superiore a quello anodico (Ea): Ec Ea > 0 possibile un processo di corrosione

EFFETTO DEL pHIl valore di E del processo catodico (Ec) dipende dal pH della soluzione:

Al diminuire del pH della soluzione aumenta il potenziale catodico, e conseguentemente si favorisce lazione corrosiva

EFFETTO DEL pH-2Il corpo umano aerato ed il pH variabile a seconda dei fluidi corporei considerati:

Note le condizioni ambientali in cui un determinato metallo andr ad operare pertanto possibile stabilire se sar soggetto o no a processi corrosivi

VELOCIT DI CORROSIONE- E importante sapere non solo se la corrosione avviene (termodinamica) ma anche a quale velocit (cinetica) se la corrosione avviene molto lentamente questo non crea problemi n alla resistenza del materiale n ai tessuti che lo circonda

Equazione di Faraday: p=peso del materiale corroso [g]

ItM p= nF

I= corrente che passa tra anodo e catodo [A] t= tempo [s] M =massa atomica del metallo [g/mole] n= valenza dello ione F= costante di Faraday (96490 C)

Occorre perci conoscere il valore di I=iA, A= superficie del catodo

VELOCIT DI CORROSIONE-2E Ec

Ec=potenziale catodico corpo umano Ea1=potenziale anodico metallo 1 Ea2=potenziale anodico metallo 2 E=f(i) caratteristiche catodiche e anodiche

Ea2 Ea1 log i2 log i1 log i

Lincrocio tra le due curve caratteristiche identifica la corrente e, quindi, la velocit di corrosione

i1> i2 Il metallo 1 si corrode pi rapidamente del metallo 2 N.B. Ec-Ea1 > Ec-Ea2

PASSIVAZIONEConsiste nella formazione di un ossido superficiale che inibisce lulteriore corrosione I metalli suscettibili di passivazione presentano una curva anodica del tipo a1 in Fig.6.28. la velocit di corrosione di 1 inferiore a 2 - Nonostante (Ec-Ea1) > (Ec-Ea2), i1 < i2

Il Cr favorisce il fenomeno della passivazione negli acciai attraverso la formazione di un film di ossido di Cr

FORME DI CORROSIONEGeneralizzata Galvanica o bimetallica In fessura o interstiziale Per vaiolatura o pitting Intergranulare Intragranulare Per sfregamento Sottosforzo

FORME DI CORROSIONE-2Generalizzata: la forma pi comune e coinvolge tutta la superficie del metallo (es. leghe Co per uso biomedico, perdita in peso: 40-60 g/cm2) Galvanica o bimetallica: si verifica quando 2 solidi a diverso potenziale elettrochimico sono messi a contatto elettrico il metallo meno nobile si corrode (velocit di corrosione superiore a quella generalizzata) In fessura o interstiziale: ha inizio in una fessura presente tra due parti adiacenti di un dispositivo impiantato (es. vite e placca di osteosintesi) Per vaiolatura (pitting): caso particolare di c. per fessura, caratterizzata dalla presenza di cavit molto piccole (100200 m) dette vaiolature o pit che, crescendo, possono perforare completamente il pezzo; favorito da ambienti contenenti ioni Cl- che contribuiscono alla rottura dei film passivanti (si osserva su impianti in acciai inox privi di Mo)

FORME DI CORROSIONE-3Intergranulare: tipica degli acciai inox in cui, a seguito di riscaldamenti, si verifica la precipitazione di carburi di Cr sui bordi di grano, riducendo il contenuto di Cr nelle zone vicine, che diventano meno protette dalla corrosione Intragranulare: simile a quella bimetallica ma avviene tra grani diversi, presenti in leghe multifase Per erosione o sfregamento: in presenza di un flusso della soluzione elettrolitica o di moto relativo tra due superfici, si ha la rimozione continua del film passivante, cio la causa inibente levoluzione della corrosione Sottosforzo o tensocorrosione: si verifica quando il materiale sottoposto a sforzi di trazione che portano alla formazione di cricche superficiali

MATERIALI METALLICI DA IMPIANTOImpiegati principalmente in ortopedia e odontoiatria Sono presenti anche in campo cardiovascolare (es. stent in angioplastica) Strumenti chirurgici Requisiti:

Resistenza meccanica e alla corrosione Biocompatibilit Modulo elastico prossimo il pi possibile a quello dellosso (circa 30 GPa)

MATERIALI METALLICI DA IMPIANTO-2Materiali pi frequentemente utilizzati:

Acciai inossidabili Leghe di Co Titanio e leghe di Ti

ACCIAI INOSSIDABILILeghe a base di Fe, contenenti C, un tenore elevato di Cr ed altri elementi Il tenore di carbonio controlla la formazione di carburi, che attribuiscono alla lega buone propriet meccaniche Il Cr favorisce la protezione alla corrosione (passivazione): il film passivo pu essere pi o meno resistente in funzione della concentrazione di Cr nella lega e in relazione all'eventuale presenza di altri elementi quali Ni, Mo, Ti etc.

Altro importante elemento in lega oltre al Cr: Mo, migliora anchesso la resistenza alla corrosione, ma pi costoso del Cr e indurisce eccessivamente lacciaio

ACCIAI INOSSIDABILI-2Diagramma Fe-C

Punto di fusione del ferro: ~1535 C Ferro allo stato solido: (CCC, fino a ~910C), (CFC, ~ 910-1400 C), (CCC, ~1400-1535 C) Fe3C (cementite) Acciai in generale: contenuto di C relativamente basso (< circa 2 %) Ghise (tenori C pi elevati)

ACCIAI INOSSIDABILI-3Composizione chimica

ACCIAI INOSSIDABILI-4 Tipi di acciai inoxIn base alla loro microstruttura, gli acciai inox si suddividono in: Ferritico: a base di -Fe e C (contiene poco Ni) Austenitico: -Fe, tenore di C < 2%, Ni (stabilizza la fase -Fe)Elevata resistenza alla corrosione, indicati per la produzione di dispositivi impiantabili (protesi articolari e, soprattutto, mezzi di osteosintesi)

Martensitico: contiene la fase solida martensite, ottenuta per tempra dellausteniteDuro e tenace, indicato per la fabbricazione di strumenti chirurgici (lame per bisturi)

Austeno-ferritici o Duplex: struttura mista austenite/ferrite

ACCIAI INOSSIDABILI-5Il primo acciaio inox impiegato stato il 18-8 (18% Cr, 8%Ni) o , secondo la pi moderna classificazione, AISI tipo 302 Successivamente stato introdotto lacciaio 316 contenente molibdeno (2-3%), pi resistente allacqua salata: la presenza di Mo risulta efficace come protezione contro la corrosione per vaiolatura Negli anni 50 stato introdotto il 316L, che contiene meno carbonio (0.03% invece di 0.08%) ed ancora ancora pi resistente allambiente salino Sia il 316 che il 316L sono acciai austenitici che non possono essere induriti a caldo, ma solo con lavorazioni a freddo, inoltre non sono magnetici e presentano maggiore resistenza alla corrosione

ACCIAI INOSSIDABILI-6 BiocompatibilitAnche il 316L, lacciaio pi resistente alla corrosione, pu subire corrosione allinterno del corpo in particolari situazioni di grande tensione. Viene comunque usato per protesi temporanee come piastre, viti, chiodi per lanca.

ACCIAI INOSSIDABILI-7Propriet meccaniche di acciai inox per impiantit: temprato, f: forgiato, lf: lavorato a freddo, ff:forgiato a freddo, g: getto

Valore tipico di modulo elastico (dellordine di 200 GPa) eccessivamente superiore a quello dellosso

LEGHE DI COBALTODue categorie principali: 1. 2. Leghe Co-Cr-Mo, ottenute generalmente con metodi di colata/fusione Leghe Co-Ni-Cr-Mo, che vengono tipicamente lavorate per forgiatura e presentano buona resistenza alla corrosione anche sottosforzo.

In genere contengono alto tenore di Cr (18-30 % in peso) ed il Mo (3-10 % in peso) aggiunto per ridurre le dimensione dei grani e, quindi, migliorare le caratteristiche meccaniche del pezzo

LEGHE DI COBALTO-2Composizione chimica e propriet meccaniche

Resistenza allusura superiore agli acciai e leghe di Ti Modulo elastico (dellordine di 200 GPa) eccessivamente superiore a quello dellosso

LEGHE DI COBALTO-3La lega forgiabile Co-Cr-Mo-Ni mostra velocit di rilascio di ioni Ni poco superiore a quella degli acciai 316L, nonostante ne contengano una quantit tre volte maggiore

LEGHE DI COBALTO-4Tra le leghe Co-Ni-Cr-Mo, quella che contiene circa il 35% sia in Co che di Ni una delle pi promettenti in particolare per la sua resistenza alla corrosione salina, anche sottosforzo. La sua lavorazione a freddo ne aumenta poi la resistenza meccanica in modo considerevole. Tuttavia, ci sono notevoli difficolt nel produrre con tecniche a freddo impianti di dimensioni notevoli, come gli steli delle protesi articolari dellanca; di conseguenza, per questo tipo di protesi si deve ricorrere alla forgiatura a caldo. Le leghe Co-Ni-Cr-Mo forgiate a caldo presentano superiori qualit di resistenza alla fatica, rendendole particolarmente adatte nelle applicazioni che richiedono lunga durata senza presentare fenomeni di frattura o fatica del metallo, come proprio il caso dello stelo delle protesi danca.

LEGHE DI COBALTO-5Questi vantaggi sono particolarmente significativi qualora sia necessario rimpiazzare la protesi, poich risulta molto difficile rimuovere frammenti del vecchio impianto che deve essere saldamente inserito in profondit nel canale midollare Le leghe Co-Ni-Cr-Mo non sono invece consigliate per le zone superficiali di contatto di protesi di giuntura, a causa dello scarso potere di scorrimento che questo materiale presenta sia in contatto con se stesso che con altri materiali Le propriet di resistenza allabrasione delle leghe Co-Ni-Cr-Mo sono simili a quelle delle leghe Co-Cr-Mo ottenute per fusione (0.14 mm/anno) Tener presente che l aumento della resistenza accompagnato da una diminuzione della duttilit

LEGHE DI COBALTO-6Applicazioni biomedicheQueste leghe sono state usate per decenni per protesi dentali e, pi recentemente, per protesi sottoposte a carichi elevati, come quelle di ginocchio e danca.

TITANIO E LEGHE DI TITANIOSono relativamente pi recenti rispetto allacciaio e alle leghe di Co Hanno una densit (per il Ti, 4.5 g/cm3) molto inferiore a quella degli acciai (Fe, 7.86 g/cm3) e leghe di Co (Co, 8.9 g/cm3) Assenza di propriet magnetiche Elevata biocompatibilit, buone propriet meccaniche, buona resistenza alla corrosione in fessura ma non per sfregamento, per cui non sono particolarmente indicate per accoppiamenti articolari

TITANIO E LEGHE DI TITANIO-2Ad alta T, tendono a reagire con lossigeno per cui le operazioni di fusione e a T elevate vanno condotte in ambiente inerte o sotto vuoto Nella fabbricazione di protesi in Ti possono essere utilizzate quattro diversi tipi di Ti metallico, che differiscono tra loro per i contenuti di ossigeno, ferro e azoto, i cui valori devono essere attentamente controllati: Ti grado 1- grado 2 - grado 3 - grado 4 Soprattutto il contenuto dossigeno ha una grande influenza sulla duttilit e sulla resistenza del metallo Per quanto concerne le leghe, la pi diffusamente utilizzata in applicazioni biomediche denominata Ti6-Al-4V e contiene 5.5-6.5 wt.% di Alluminio e 3.5-4.5 wt.% di Vanadio

TITANIO E LEGHE DI TITANIO-3Composizione chimicaTitanio Elemento Grado 1 Grado 2 Grado 3 Grado 4 Lega di titanio Ti-6Al-4V

N C H Fe O Ti

0.030 0.100 0.015 0.200 0.180

0.030 0.100 0.015 0.300 0.250

0.050 0.100 0.015 0.300 0.350 Resto

0.050 0.100 0.015 0.500 0.400

0.050 0.080 0.0125 0.250 0.130

Ti grado 4: il pi ricco di ossigeno, e viene utilizzato per i rivestimenti superficiali

TITANIO E LEGHE DI TITANIO-4Propriet meccanicheTitanio Lega di titanio Grado 3 Grado 4 Ti-6Al-4V

Propriet

Grado 1

Grado 2

Carico a rottura (MPa) Carico di snervamento (MPa)

240 170

345 275

450 380

550 485

860 795

Allungamento a rottura (%)

24

20

18

15

10

Strizione a rottura (%)

30

30

30

25

25

ESEMPIO LEGHE DI TITANIO

Punto di fusione del titanio: 1660 C Titanio allo stato solido: (EC, fino a ~ 882C) , (CCC, ~ 882- 1660C)

TITANIO E LEGHE DI TITANIO-5La lega Ti-6Al-4V la pi utilizzata per applicazioni ortopediche: modulo elastico (dellordine 100- 120 GPa) significativamente pi vicino a quello dellosso rispetto ad acciai e leghe di cobalto (dellordine di 200 GPa) Problema di tossicit di alcuni elementi in lega, in particolare V, e sostituzione con altri, in particolare Nb e Fe Laggiunta di elementi in lega al Ti legata al fatto che essi stabilizzano la fase del Ti, caratterizzata da un modulo elastico (circa 74 GPa) pi basso di quello relativo alla fase

IMPIEGHI BIOMEDICALI DEL TITANIO E DELLE SUE LEGHEIn generale, il Ti commerciale puro viene utilizzato nel settore dentale, mentre le leghe di titanio, che presentano migliori caratteristiche meccaniche, vengono preferite nella chirurgia ortopedica Per le caratteristiche di biocompatibilit, resistenza alla corrosione e per la notevole capacita di sostenere carichi, il Ti e le leghe sono largamente utilizzati per produrre: pompe cardiache artificiali involucri per pace-maker parti di valvole cardiache viti per odontoiatria protesi articolari artificiali in genere, ed in modo specifico protesi articolari danca

ESEMPI APPLICATIVI LEGHE PI COMUNIProtesi danca Testa di femore

Acciaio inox 316 L

Co-Cr-Mo

Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V Rivestita con TiNbN

Co-Cr-Mo

ALTRE LEGHE METALLICHE: LEGHE A MEMORIA DI FORMALe cosiddette Shape Memory Alloys (SMA) possiedono una singolare propriet denominata Shape Memory Effect (SME) o effetto a memoria di forma, che consiste nel fatto che un materiale che ha subito una deformazione ad una certa temperatura pu riprendere la forma iniziale qualora venga riscaldato ad una temperatura superiore.Forma originale

Forma deformata Ripristino della forma originale per riscaldamento

Nelle SMA le deformazioni coinvolte possono raggiungere livelli anche di 1000 volte maggiori di quelle della dilatazione termica

LEGHE A MEMORIA DI FORMA-2La lega SMA pi conosciuta quella nichel/titanio denominata 55- Nitinol (55% di Ni in peso), che presenta uneccezionale SME a temperature vicine alla temperatura ambiente. Superelasticit delle leghe a memoria di forma Lelasticit la capacit di un materiale di riacquistare la propria forma in seguito a una sollecitazione meccanica in campo elastico. In termini di elasticit quindi, la propriet delle SMA si pu quantificare dicendo che tali materiali hanno un limite di elasticit circa 100 volte superiore a quello delle altre leghe.

LEGHE A MEMORIA DI FORMA-3La propriet delle leghe a memoria di forma dipende dalla loro particolare struttura atomica. In generale, le leghe sono miscele di metalli ottenute per fusione ad alta temperatura. Esse assumono una certa forma quando vengono raffreddate, perch gli atomi di cui sono costituite si dispongono in strutture ordinate, formando un reticolo cristallino rigido. Di solito, quando un metallo subisce una deformazione, ad esempio quando viene piegato o stirato, le file di atomi del reticolo cristallino interessate scivolano le une rispetto alle altre, causando la rottura dei legami e la formazione di nuovi legami stabili, che conferiscono al materiale una forma diversa da quella iniziale. Nelle leghe a memoria di forma, invece, i cristalli alterano la loro struttura senza rompere i legami atomici. La nuova disposizione degli atomi, quindi, non stabile: basta riscaldare il materiale perch il reticolo cristallino ritorni alla sua configurazione originale, pi stabile.

LEGHE A MEMORIA DI FORMA-3Applicazioni nel settore biomedicoFabbricazione di fili per gli archetti in ortodonzia Clips per aneurismi intracranici Stents Muscoli contrattili per cuori artificiali Protesi ortopediche ed altri specifici apparati medicali

STENTSSfruttando la propriet di recupero elastico, gli stents possono essere usati per espandere un piccolo volume. Tali strumenti, usati in combinazione con palloncini dilatatori oppure nella versione autoespandibile, possono dilatare (o supportare) un condotto bloccato allinterno del corpo umano (sia esso un vaso sanguigno, una via respiratoria, urinaria, etc.)

STENTS-2

SMA:ALTRE APPLICAZIONI

Ha la forma di un microscopico ombrello che viene inserito chiuso in una vena e, sfruttando l'effetto memoria di forma attivato dalla temperatura corporea, riesce a bloccare i coaguli di sangue

Simon Nitinol Filter

Il dispositivo viene inserito nella vena in configurazione 1 (deformata) e, per riscaldamento alla T corporea, passa in configurazione 5 (forma originale)

Nitinol: Stabilizzatore Colonna VertebraleIl dispositivo viene preliminarmente deformato ad una temperatura inferiore ai +10C La forma deformata mantenuta fino alla temperatura di +26C Il recupero della forma avviene una volta che il dispositivo viene riscaldato a a temperature superiori a +35C, cio prossime alla T corporea

ALTRI METALLI: IL PLATINOIl platino, cos come gli altri metalli nobili, presentano caratteristiche di eccezionale resistenza alla corrosione, ma propriet meccaniche scadenti Viene usato sottoforma di leghe per fabbricare elettrodi, ad esempio nel caso dei pacemakers, sfruttando cosi la loro resistenza alla corrosione

ALTRI METALLI: LOROImpiegato soprattutto in passato

ALTRI METALLI: IL TANTALIOVantaggi: - Elevata biocompatibilit Svantaggi: - Elevata densit (16.6 g/cm3) - Scarse propriet meccaniche Impiego - Fili da sutura