ROME REHABILITATION 20147/8 giugno 2014 Presidente: Prof. Valter Santilli

Materiali compositi nelle realizzazioni custom deidispositivi medici funzionali

Giuseppe TOMBOLINI

Dispositivo medico funzionale

Presidio applicabile a uno o più segmenti corporei, come correttivo

funzionale che migliori appunto la funzione di parti mobili del corpo

Utilizzarlo con un unico scopo :

Raggiungere il miglior livello possibile di autonomia

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Scienze dei materiali

La continua evoluzione ha portato l’introduzione di materiali sempre più performanti, resistenti, leggeri e con alto grado di bio-compatibilità;

L’attenzione verso le Scienze dei Materiali, rende possibili oggi la produzione di dispositivi altamente innovativi

Scienza dei materiali

DISCIPLINA CHE STUDIA IL RAPPORTO TRA LA STRUTTURA DEL MATERIALE, A LIVELLO ATOMICO O MOLECOLARE, E LE SUE PROPRIETA

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Materiali di ieri

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Tre classi di materiali �MATERIALI METALLICI

COMPOSTI DA UNO O PIU’ ELEMENTI METALLICI (LEGHE).

�MATERIALI POLIMERICI

MATERIE PLASTICHE, MATERIALI ORGANICI COMPOSTI DA LUNGHE MATERIE PLASTICHE, MATERIALI ORGANICI COMPOSTI DA LUNGHE CATENE MOLECOLARI,FORMATE PRINCIPALMENTE DA ATOMI DI CARBONIO.

�MATERIALI CERAMICI

MATERIALI INORGANICI COSTITUITI DA ELEMENTI METALLICI E NON LEGATI FRA LORO IN RAPPORTI COSTANTI.

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Quarta classe di materiali

�MATERIALI COMPOSITI:

OTTENUTI COMBINANDO MATERIALI DIVERSI ALLO SCOPO DI OTTIMIZZARE SPECIFICHE CARATTERISTICHEOTTIMIZZARE SPECIFICHE CARATTERISTICHE

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ChimicheMeccaniche TecnologicheFisiche

Riguardano i fenomeni che si

Indicano l’attitudine di un

Indicano l’attitudine di un

Si riferiscono alle caratteristiche

Proprietà dei materiali

Tra le quali:

- Massa volumica

- Dilatazione termica

- Capacità termica massica (calore specifico)

- Conducibilità termica

- Conducibilità elettrica

fenomeni che si producono fra il materiale in considerazione e l’ambiente in cui esso è posto

Distinguiamo due aspetti:

1. Aspetti utili per il materiale (cromatura, decapaggio, ecc..)

2. Aspetti dannosiper il materiale (corrosione)

l’attitudine di un materiale a resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a deformarlo

SOLLECITAZIONI

• Statica

• Dinamica

• A fatica

DEFORMAZIONI

• Elastiche

• Permanenti

l’attitudine di un materiale ad essere lavorato in un dato modo

Si distinguono:

-Plasticità

-Duttilità

-Malleabilità

-Fusibilità

-Saldabilità

-Truciolabilità

-Temprabilità

caratteristiche generali della materia

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche riguardano le capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all’azione di forze sollecitazioni dovute all’azione di forze applicate dall’esterno, che tendono a modificare la forma e le dimensioni.

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Forze statiche

Sono quelle la cui applicazione è graduale e continua ( o soggette a lente variazioni ).

Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni viene definito come resistenza alle deformazioni. come resistenza alle deformazioni.

In base alla direzione di applicazione, queste forze possono indurre a sollecitazioni di:

compressione, trazione, flessione, torsione e taglio.

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Forze dinamiche

Le forze dinamiche sono quelle che vengono applicate per periodi brevissimi, dell’ordine di grandezza del decimo di secondo.

La resistenza dei materiali alle forze dinamiche, dette anche Urti, viene

Resilienzadefinita Resilienza

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Forze periodiche

Le forze Periodiche sono quelle che agiscono in modo discontinuo, con frequenza che può essere costante o irregolare. Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come resistenza a fatica.

Resistenza alla fatica non è altro che la capacità di sopportare sforzi Resistenza alla fatica non è altro che la capacità di sopportare sforzi ripetuti

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Forze di attrito

Le forze di attrito sono quelle che si manifestano tra due superfici a contatto in movimento reciproco. Se il moto reciproco è di scorrimento, l’attrito si chiama radente, se invece è di rotazione, l’attrito è volvente.

Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come resistenza all’usura.

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Forze concentrate

Si dicono forze concentrate, quelle forze che vengono applicate in zone ristrette dell’oggetto.

La resistenza che i materiali oppongono a questo tipo di forze applicate

in zone ristrette o puntiformi, è detta Durezza.

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Verifica della forza muscolare

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Forza estensione del ginocchio Forza estensione dell‘anca

Forza estensione dorsale della T.T. Controllo dell‘iperestensione del ginocchio

Classificazione della forza muscolare

0= nessuna contrazione muscolare visibile e/o palpabile – paralisi completa

1= contrazione muscolare lieve –e/o palpabile

2= contrazione muscolare visibile, il movimento completo è eseguibile in assenza di forza di gravitàassenza di forza di gravità

3= movimento completo del muscolo contro la forza di gravità

4= mantenimento della posizione di prova contro una resistenza da bassa a media

5= mantenimento della posizione di prova contro una resistenza massima

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Orientamento di massima nella scelta dell‘ortesi

AFO : Perdita/Danneggiamento di ungruppo dei muscoli estensori

KAFO con arresto dorsale e arretramento del ginocchio: Perdita/Danneggiamento di 2 gruppi di muscoli

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KAFO con ginocchio bloccato :Perdita completa del fascio muscolare

KAFO con articolazioni a controllo della fase statica (SCO)

Quali caratteristiche deve avere un’ortesi?

�stabilizzare un’articolazione

�sostenere uno o più segmenti dell’apparato muscolo-scheletrico

�consentire il movimento riducendo il più possibile il dispendio energeticoconsentire il movimento riducendo il più possibile il dispendio energetico

�Avere un minimo ingombro

�Esteticamente accettabile

�Costruita in un materiale resistente ma al tempo stesso leggero

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Estetica dell’ortesi

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Cosa sono i materiali compositi?

Sono materiali costituiti dall’unione di due costituenti generalmente

distinti in :

�Matrice

�Fibre

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Materiali compositi

Il concetto chiave dei compositi è quello di unire 2 o più materiali con

caratteristiche diverse, che da soli non hanno un grande pregio ma che

uniti esaltano le loro proprietà;

Le fibre di rinforzo hanno proprietà meccaniche nettamente migliori del

materiale massivo, sia come resistenza sia come rigidezza;

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L’unione fa la forza

Cosa sono i materiali compositi?

Generalmente i materiali compositi sono impiegati sotto forma di corpi

bidimensionali e per quanto riguarda il loro comportamento meccanico si possono

dividere in :

�Compositi a fibra corta : le fibre sono disperse in una matrice isotropa e il�Compositi a fibra corta : le fibre sono disperse in una matrice isotropa e il

comportamento meccanico è isotropo;

�Compositi a fibra lunga: le fibre sono disposte in modo ordinato e orientato in una

matrice isotropa e il comportamento meccanico è anisotropo;

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ISOTROPIA e ANISOTROPIA

In meccanica l’isotropia di un materiale è la capacità di resistere a determinati sforzi indipendentemente dal loro verso di applicazione

Due bambini alle prese con un materiale isotropo: avranno

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L’anisotropia è la proprietà per la quale un materiale ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale vengonodisposte

Due bambini alle prese con un materiale isotropo: avranno

le stesse difficoltà tirandolo e comprimendolo.

Compito delle matriciLa matrice assolve ad alcune tipiche funzioni:

�Funzione di collegamento delle fibre (le fibre sono mantenute stabili nella loro geometria e posizione).

�Funzione di separazione delle fibre (le fibre lavorano come elementi separati).

�Protezione delle fibre dall’ambiente circostante.

�Bloccaggio di eventuali cricche insorte nelle fibre

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Matrici plastiche

Le matrici possono essere divise in :

Matrici plastiche: E’ il gruppo più variegato e attualmente più utilizzato.Matrici plastiche: E’ il gruppo più variegato e attualmente più utilizzato.

Sono impiegate fino a 150°C. Si dividono in due tipologie fondamentali:

Termoindurenti e Termoplastiche.

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.

Matrici termoindurenti

Matrici Termoindurenti: Sono liquidi densi a temperatura

ambiente.

Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa temperatura, definita temperatura di polimerizzazione.

Le resine termoindurenti più impiegate: epossidiche, poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche, poliammidiche

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Caratteristiche delle resine in ortopedia

�Le più comuni sono epossidiche , sono molto trasparenti anche quando catalizzate , sono termoformabili , fissabili con colle epossidiche anche dopo anni .

�Non irritano la pelle dei pazienti

�Le parti colate flessibili o morbide non catalizzano

�Alta resistenza

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Matrici Termoplastiche

Matrici Termoplastiche:

Sono allo stato solido a temperatura ambiente.

Assumono uno stato gommoso (elevata deformabilità) se riscaldate ad una

certa temperatura, detta temperatura di transizione vetrosa.

Sono impiegate per temperature di esercizio molto inferiori a quelle delle

termoindurenti.

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Fibre compositeTipi di fibre

� Fibre di vetro: ottima resistenza meccanica (2-5 GPa),

basso costo, buona tenacità, basso modulo elastico (70-80

GPa), media densità (2.5-2.8 gr/cm3)GPa), media densità (2.5-2.8 gr/cm3)

� Fibre di carbonio: ottima resistenza meccanica (3.1-4.5

GPa), alto costo, bassa tenacità, alto modulo elastico

(220-800 GPa), bassa densità (1.7-2.1 gr/cm3)

�Fibre aramidiche (kevlar e nomex): ottima resistenza meccanica

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Fibre vegetaliUn uso sempre maggiore legato anche a problemi ambientali è quello di

fibre di origine vegetale ( canapa e simili).

Il ricercatore Carl Schaschke del Centro Nazionale per Protesi e Ortesi

( NCPO ) presso l'Università di Strathclyde ricerca un metodo per creare( NCPO ) presso l'Università di Strathclyde ricerca un metodo per creare

fibre biodegradabili. Questo per supportare soprattutto i paesi in via di

sviluppo dove i materiali composti da resine acriliche sono difficili da

Produrre.

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Vantaggi

I principali vantaggi dei materiali compositi :

�Leggerezza

�Resistenza

�Rigidezza

�Buon comportamento alla fatica

�Possibilità di progettare il materiale secondo il proprio bisogno

�Riduzione del peso

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Prodotti di baseL’industria produce una serie di prodotti di base utili alla costruzione del dispositivo finale :

prodotti di base

�Fibre

�Mats

�Tessuti

�Lamine preimpregnate

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Prodotti di base�Fibre

Sono il costituente base del rinforzo dei compositi, vengono filate in bobine e sono in genere di vetro o carbonio

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vetro

carbonio

Prodotti di base

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Prodotti di base

Mats

sono strati di fibre non tessute secchi o impregnati di resina

Lamine pre impregnate

sono semilavorati composti da fibre e resina da polimerizzare . Le fibre possono essere disposte in una sola direzione o tessute; il comportamento è sempre anisotropo

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Pre impregnati

I vantaggi nell’uso dei pre - impregnati sono molteplici :

�Elevate prestazioni meccaniche �Elevate prestazioni meccaniche

�Ottima risposta al processo di fabbricazione

O-TECH TOMBOLINI SRL 35

Processo tecnologicoPer laminazione si intende la deposizione di strati (lamine) di un materiale su uno stampo che conferisce la forma geometrica desiderata.

La deposizione può essere manuale o automatica. Il materiale deposto può essere preimpregnato oppure si può impregnare direttamente sullo stampo.stampo.

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COMPOSITO

Tecnologie di produzioneFabbricazione dei materiali compositi :

� a spruzzo

�A mano

�Sotto vuoto�Sotto vuoto

�RTM ( resin transfer moulding)

�RFI ( resin film infusion)

� pre impregnati

�Pultrusione

�FW ( filament winding)

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Tecnologia di produzionePRE IMPREGNATI ( prepregs)

Questa tecnologia è quella più utilizzata :

Il laminato viene preparato a freddo sovrapponendo i vari strati di preimpregnato. Il manufatto viene posto in autoclave per polimerizzare preimpregnato. Il manufatto viene posto in autoclave per polimerizzare sotto pressione ;

Questa tecnologia consente di ottenere componenti meccanici di alto pregio e di ottima qualità di produzione limitando al minimo di defetti di fabbricazione

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Stilizzazione del calco positivo

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Design dell’ortesi

Definire attentamente il design dell‘ortesi in relazione al deficit

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relazione al deficit muscolare .Riportare con matita copiativa i riferimenti grafici sulle zone delimitanti le valve

Evoluzione ferma per anni nelle forme e nei materiali

Acciaio, ferro, cuoio (pesanti e spessi)

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Siamo nel 2014!!!

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La fibra di carbonio pre - impregnata

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Varie tecniche di realizzazione delle ortesi

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Prova sul paziente

Tutore di prova in PP o PE

Prova di congruenza sul paziente

Ritocchi e tagliRitocchi e tagli

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Preparazione modello positivo

copertura modello positivo con maglia tubolare e resina e disegno modello

Isolamento con pellicole

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Preparazione ortesiStesura fogli in carbonio pre-preg

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Cottura in autoclaveIsolamento con seconda pellicola

Sistemazione tubi per aspirazione

Cottura in autoclaveCottura in autoclave

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Preparazione montaggio e prova sul pazienteDisegno e taglio

Applicazione parti in metalliche

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Finitura� Seconda termoformatura

� Imbottiture e chiusure

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ConsegnaProva sul paziente

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Confronto con e senza ortesi AFO in fibra di carbonio

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Vantaggi :

� Estrema robustezza� Elasticità e rigidezza� Leggerezza

Svantaggi :

� Difficoltà dilavorazione

� Costi di lavorazione e

Vantaggi e svantaggi

� Leggerezza� Spessori minimi (1-2-

3 mm)

� Costi di lavorazione econservazione (-18°)

� Impossibilitàmodifiche dopotermoformatura

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Un tutore non cambia da solo la qualità di vita: è uno degli strumenti da

inserire in un progetto più complesso, che è quello riabilitativo.

La scelta dei materiali idonei alla costruzione di dispositivi medici è

Conclusioni

La scelta dei materiali idonei alla costruzione di dispositivi medici è

alla base del successo di tale progetto .

Ognuno di noi ha il dovere di ricercare sempre il materiale migliore

non necessariamente nell’ambito ortopedico, ma in ambienti dove la

ricerca è in continua evoluzione

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Grazieper l’attenzione

TOMBOLINI OFFICINE ORTOPEDICHETARANTO

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Dott. Giuseppe TOMBOLINI - Tecnico Ortopedico