Materiali e Biomateriali

Materiale

I materiali sono in generale sostanze fisiche utilizzate nella produzione di oggetti

Una sostanza fisica, generalmente solida, manipolata e/o usata dall’uomo per la realizzazione di specifici manufatti, non soggetti a trasformazioni durante l’uso. In base a questa definizione, molte sostanze, pur importanti dal punto di vista industriale ed applicativo, come ad esempio, i materiali grezzi dell’industria chimica, gli alimenti, i farmaci, i carburanti, non vengono considerate in tale ambito.

Alcune definizioni…

Materiali biologici e sintetici

Lo studio dei dispositivi medici impone la conoscenza dei materiali sintetici e di quelli biologici che, naturalmente, sono caratterizzati da proprietà fisiche, chimiche e meccaniche significativamente differenti

Ad esempio, mentre i tessuti contengono cellule, i materiali metallici, ceramici e polimerici no. Mentre i tessuti hanno una capacità totale o parziale di riparazione, i materiali metallici, ceramici e polimerici no.


Comportamenti meccanici molto variabili....


I materiali biologici spesso presentano comportamento viscoelastico, ossia hanno caratteristiche sia elastiche (di Hooke) che viscose (Newtoniano). Questi sono infatti due casi estremi di un ampio spettro di comportamenti.

Fenomeni viscoelastici caratteristici sono:

a)  RILASSAMENTO (tensione a deformazione costante): quando un corpo è rapidamente deformato e la deformazione è mantenuta costante la tensione indotta nel corpo decresce nel tempo.

b)   CREEP (deformazione a carico costante): quando un corpo è rapidamente posto in tensione e la tensione è mantenuta costante il corpo continua a deformarsi. https://www.youtube.com/watch?v=gJnuBfcpZGU

c)  ISTERESI In un corpo sottoposto ad un carico ciclico, la relazione tensione-deformazione per carichi crescenti è, in certa misura, diversa da quella per carichi decrescenti.

Nel corpo: la maggior parte dei tessuti biologici presenta caratteristiche di viscoelasticità (cartilagini, tendini, ecc.)

I dispositivi vengono realizzati selezionando materiali che presentino opportune caratteristiche chimiche, meccaniche, termiche, elettriche, ottiche ecc; esse sono naturalmente in relazione con la natura chimica del materiale e con la sua struttura.

È pratica comune identificare le proprietà dei materiali con i risultati delle prove effettuate proprio al fine di misurare tali proprietà. Così, ad esempio, la resistenza a trazione di un materiale metallico è definita con riferimento ad una prova ben specifica (standardizzata) nella quale un provino campione viene sottoposto a sollecitazioni di trazione crescenti fino a rottura.

È importante sottolineare che, indipendentemente dal materiale e dal tipo di prova effettuata, è necessario effettuare numerose ripetizioni della prova al fine di assegnare alla misura ottenuta un carattere di significatività statistica

Ciò assume particolare rilevanza qualora si impieghino materiali che, per il processo tecnologico con il quale vengono ottenuti o per la loro particolare natura (es. materiali biologici), possono presentare comportamenti anche molto differenti.

Spesso una caratterizzazione “ad hoc” è necessaria quando si realizzano dispositivi che non sono soggetti ad una produzione in serie.

Scelta dei materiali

Biomateriale (The 6th Annual International Biomaterial Symposium, 1974)

Biomateriale è una sostanza inerte, sia nei confronti dell’organismo che dal punto di vista farmacologico, progettata per essere impiantata o incorporata in un sistema vivente

Biomateriale (Consensus Conference on the Clinical Application of Biomaterials, National Health Institute, Bethesda, USA, 1984)

Ogni sostanza o combinazione di sostanze, di origine sintetica o naturale diversa da un farmaco, che può essere impiegata per qualsiasi periodo di tempo, da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo

Biomateriale (Società Europea dei Biomateriali, Chester, UK, 1986)

Una sostanza non vivente utilizzata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto un'interfaccia con un tessuto vivente

Alcune definizioni…

Biomateriale (Società Europea dei Biomateriali, Chester, UK, 1986) Una sostanza non vivente utilizzata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto un'interfaccia con un tessuto vivente In accordo con la Consensus Conference di Chester, UK (1991) si definisce: Biomateriale un materiale per il quale si prevede una interfaccia con sistemi biologici al fine di valutare, trattare, migliorare o sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo umano NO è NON VIVENTE NO è MEDICO È evidente che tale definizione identifica i biomateriali non in relazione alle loro proprietà, ma alle finalità d'uso. Il polietilene non è un biomateriale quando viene impiegato nella fabbricazione di un contenitore alimentare, è un biomateriale quando costituisce la coppa acetabolare di una protesi d'anca.

Biomateriali

Sino dai tempi più remoti, la necessità ha indotto il medico ad utilizzare i materiali più disparati, in circostanze spesso drammatiche per le condizioni fisiche del paziente e per l’ambiente operatorio. Medici Egiziani, Greci, e poi Romani, usavano spesso fibre vegetali e materiali di derivazione animale per cucire le ferite; le prime protesi artificiali erano modellate in legno, con risultati sorprendenti.

Una lunga storia…

Nel 600 a.C. i Maia util izzavano CONCHIGLIE marine come impianti dentali Gli antichi Egizi e Greci usavano l’ORO per la cura dei denti Nel 1400-1500 d.C Leonardo da Vinci e Galileo realizzarono i primi studi di BIOMECCANICA Nel 1600-1900 a seguito dell’uso dell’ACCIAIO per la realizzazione di armature, questo metallo fu utilizzato anche per realizzare supporti ortopedici Nel 1789 George Washington, primo Presidente degli USA, utilizzava dentiere in AVORIO ricavate da ippopotami

Una lunga storia…

1940: Kolff in Olanda sviluppa un sistema di dialisi renale utilizzando (tra le altre cose) un involucro per SALSICCE 1940-50: Ridley in Inghilterra utilizza Polimetilmetacrilato (PMMA) per la realizzazione di lenti intraoculari Wichterle in Cecoslovacchia sviluppa le prime lenti a contatto morbide in Poliidrossietilmetacrilato (PHEMA) DeBakey, Cooley ed altri a seguito del fallimento dell’uso di Nylon e Teflon per la realizzazione di protesi vascolari iniziano ad utilizzare il Dacron 1950-60: Charnley in Inghilterra sviluppa una protesi d’anca in ACCIAIO INOSSIDABILE per lo stelo, PE per la coppa acetabolare, entrambe cementate con PMMA 1950-70: dopo l’utilizzo in Giappone di SILICONE iniettato, negli USA nascono le prime protesi di seno

Nel nostro secolo…

1960-70: Kolff, Nose, Akutsu ed altri sviluppano in USA e Giappone i primi ventricoli e cuori artificiali Yannas e Burke realizzano negli USA ed in Inghilterra la prima pelle artificiale per la cura delle ustioni utilizzando COLLAGENE e SOLFATO DI CONDROITINA 1970-80: Schmitt e Frazza in USA sviluppano fili di sutura biodegradabili in ACIDO POLILATTICO (PLA) 1980-90: Branemark in Svezia sviluppa impianti dentali osteointegrati in TITANIO Hench in USA sviluppa i primi BIOVETRI per facilitare l’osteointegrazione Butin in Francia sviluppa protesi d’anca con teste femorali e coppe acetabolari in ALLUMINA

Nel nostro secolo…

Classificazione dei materiali

Classificazione in base alla natura chimica

Classificazione dei Biomateriali

Altre classificazioni

Un materiale si dice biostabile quando non viene alterato dai fluidi biologici, viceversa si dice biodegradabile quando subisce una trasformazione chimica che ne altera o modifica le proprietà.

•  Biotossico è un materiale che provoca una reazione negativa da parte dell’organismo. Questo fenomeno può rendere necessaria la rimozione del manufatto dal paziente.

•  Bioriassorbibile è un materiale che una volta al’interno del paziente subisce una lenta, ma progressiva degradazione la cui cinetica viene calcolata e studiata in base al tipo di struttura che si vuole ottenere.

•  Bioattivo è un materiale che induce l’organismo ad interagire con l’impianto in maniera positiva, senza che i due sistemi si danneggino vicendevolmente.

Tenacità

La tenacità di un materiale ne indica la capacità di assorbire energia, spendendola nella sua deformazione. La scarsa tenacità di un materiale può portare ad una rottura di tipo fragile che si svolge nelle seguenti fasi: •  Innesco di una cricca (rottura locale) •  Propagazione della rottura (se il materiale è privo di tenacità la rottura procede rapidamente e con un minimo dispendio di energia). In metallurgia è usuale definire la tenacità statica, come indice della capacità di un materiale di immagazzinare energia nel campo elasto-plastico prima di arrivare a rottura sotto sforzi di trazione; essa è pari all'area sottostante la curva di trazione e quindi all'energia per unità di volume richiesta per deformare a trazione un campione di materiale fino a un valore ε

In sintesi…

Una definizione pratica ed attuale... I biomateriali sono materiali posti a diretto contatto con i fluidi biologici. ...ed una funzionale I biomateriali sono speciali materiali che operano in intimo contatto con i tessuti viventi, minimizzando le eventuali reazioni avverse o di rigetto da parte dell’organismo.

La biocompatibilità

L'unica proprietà che è trasversalmente fondamentale per tutti i biomateriali è la biocompatibilità Biocompatibilità È la capacità di un materiale di determinare, da parte di un sistema vivente, una favorevole reazione alla sua presenza in una specifica applicazione La biocompatibilità è un requisito fondamentale, legato alla necessità di migliorare e/o ripristinare una determinata funzione biologica, senza interferire o interagire in modo dannoso con le attività fisiologiche dell’organismo. La biocompatibilità dei dispositivi, e quindi quella dei loro componenti, deve essere acquisita con certezza (testata e documentata) e poi approvata dagli organismi deputati (per esempio, FDA, marchio CE, etc.) prima della commercializzazione e dell’utilizzo in ambito clinico.

Il giudizio su quale possa essere definita come reazione favorevole dell’organismo è molto dipendente dall'applicazione: in alcuni casi è considerato favorevole l'essere inerte, in altri promuovere reazioni. Ad esempio per un filo metallico facente parte di un dispositivo di osteosintesi per il trattamento di una frattura si considera positivamente l ’ a s s o l u t a i n e r z i a d a p a r t e dell’organismo Al contrario, per una endoprotesi d’anca, si considera positivamente l’attacco del materiale da parte delle cellule ossee al fine di ripristinare l’integrità della struttura

Proprietà dei biomateriali

Tra le situazioni che richiedono l'applicazione di un dispositivo medico citiamo: •  gravi difetti congeniti che danno luogo ad insufficienze funzionali; •  d i fe t t i de l lo sv i luppo con conseguenze funzionali; •  patologie che causano danni irreversibili ai tessuti; •  atrofia tessutale o graduale mancanza di rigenerazione dei tessuti; •  tumori che necessitano di una rimozione chirurgica; •  sostegno ai tessuti durante la cicatrizzazione; •  rilascio di farmaci in maniera controllata; •  compensazione di problemi psicologici ed estetici.

I Biomateriali e l’uomo

Alcune funzioni richieste ai biomateriali: Trasmissione del carico e distribuzione dello sforzo. Il dispositivo deve alterare il meno possibile la naturale trasmissione dei carichi. Nella progettazione del materiale vanno considerati, oltre alle proprietà meccaniche statiche, anche il comportamento a fatica, la resistenza allo scorrimento plastico (creep), le proprietà meccaniche dinamiche e la resistenza alla frattura. Capacità articolare. I materiali utilizzati nelle sostituzioni parziali o totali di un'articolazione devono consentire il corretto movimento, avere un basso coefficiente di attrito ed alta resistenza all'usura. Controllo del flusso sanguigno. è molto importante la corretta progettazione di dispositivi che riproducano il pompaggio del sangue, servano come condotti per il flusso sanguigno e ne controllino la unidirezionalità. Riempimento di cavità. nel campo della chirurgia estetica purchè siano mantenute le caratteristiche funzionali delle parti del corpo coinvolte.

Funzioni dei Biomateriali

…segue Generazione ed applicazione di stimoli elettrici. Il sistema nervoso, attraverso la trasmissione di impulsi elettrici, controlla molte funzioni del corpo umano. I dispositivi medici impiantabili che ripristinano o sostituiscono tali funzioni devono garantire il processo di trasmissione degli impulsi (es. pace maker) Correzione della funzione visiva. I dispositivi più frequenti in questo ambito sono le lenti a contatto. Correzione della funzione uditiva. Le protesi acustiche sono dispositivi elettroacustici che si interfacciano con il sistema nervoso. Distribuzione di farmaci o altre sostanze. è in continuo sviluppo l'utilizzo di biomateriali per il rilascio controllato di farmaci ad organi bersaglio. Rigenerazione guidata dei tessuti. Tale funzione è principalmente di natura biologica ed è molto complessa anche perché implica processi metabolici.

Funzioni dei Biomateriali

Biomateriali metallici I metalli trovano larghissimo uso come materiali da costruzione per dispositivi biomedici. Gli impieghi sono i più svariati e vanno da componenti di apparecchiature a intere protesi o loro parti. La maggior parte trova applicazione nella fabbricazione di strumentario chirurgico, di protesi ortopediche e dentali e di mezzi di osteosintesi. Infatti i materiali metallici si prestano bene a risolvere i problemi legati alla sostituzione di tessuti duri quali ossa e denti in forza delle loro elevate proprietà meccaniche che rendono possibile la realizzazione di protesi in grado di sopportare carichi elevati con piccole sezioni.

I materiali metallici presentano importanti caratteristiche quali:

•  elevato modulo elastico (100÷200 GPa) ed un elevata resistenza di snervamento (300÷1000 MPa) così da rendere possibile la costruzione di strutture in grado di sopportare carichi elevati senza grandi deformazioni elastiche né deformazioni plastiche permanenti

•  buona duttilità; quando la sollecitazione applicata supera la resistenza di snervamento, la struttura si deforma plasticamente invece di rompersi in maniera fragile. Ciò permette di solito di intervenire sostituendo il componente deformato prima che si rompa.

•  elevata resistenza alla fatica meccanica, ciò che li rende indicati in tutte le applicazioni per le quali si prevedono cicli di carico

Biomateriali metallici Il primo metallo sviluppato specificamente per uso umano è stato il cosiddetto Sherman Vanadium Steel (1912, acciaio al Vanadio), adoperato per fabbricare placche e viti utilizzate nel caso di fratture ossee. Altri metalli impiegati nel tempo sono: ferro, cromo, cobalto, nichel, titanio, tantalio, molibdeno, e tungsteno. Alcuni di essi sono stati abbandonati per problemi di tossicità. In generale l’organismo tollera la presenza di piccole quantità di questi metalli (che a volte sono essenziali per la sopravvivenza dell’organismo) ma elevate quantità possono risultare dannose. La biocompatibilità dei metalli è legata alla facilità o meno della loro corrosione in ambiente biologico: i fluidi biologici hanno infatti un elevato potere corrosivo nei confronti dei metalli. Durante la corrosione avviene il rilascio di ioni metallici con due possibili conseguenze: • la perdita di funzionalità dell’impianto, dovuta al peggioramento delle proprietà meccaniche; • la contaminazione sia dei tessuti circostanti che dell’intero organismo, con ioni metallici spesso tossici, con danno anche grave per la salute del paziente.

Biomateriali metallici

Acciai inossidabili •  austenitici

dispositivi impiantabili protesi articolari mezzi di osteosintesi

•  martensitici

strumenti chirurgici lame per bisturi strumenti da taglio

Leghe di Cobalto dispositivi impiantabili

Titanio rivestimenti superficiali

Leghe di Titanio applicazioni ortopediche

Acciai inossidabili

•  Gli Acciai inossidabili sono leghe a base di Ferro con un basso contenuto di Carbonio ed un alto contenuto di Cromo. Il tenore di carbonio controlla la formazione di carburi che inducono buone proprietà meccaniche, ma che sono soggetti a corrosione in ambiente biologico, mentre il Cromo favorisce la passivazione[1] grazie alla formazione di un sottile strato superficiale che contiene Ossido di Cromo.

•  Un altro elemento in lega è il Molibdeno che riduce la corrosione dell’acciaio anche se in misura minore del Cromo. Il tenore del Molibdeno è in genere modesto in quanto questo metallo è costoso e indurisce molto la lega rendendola difficile da lavorare.

•  Negli Acciai inossidabili sono poi aggiunti altri elementi per ottenere le necessarie proprietà meccaniche o, come nelle leghe per fusione, per controllate la microstruttura e per prevenire la formazione di cricche. [1] Processo che converte elementi contenuti nella lega, in particolare Cromo, Titanio, Alluminio, in ossidi o idrossidi che migliorano le proprietà anticorrosive. Quando la passivazione produce una pellicola di ossido di elevato spessore viene chiamata anche anodizzazione.

Tipi di acciaio inossidabile

•  austenitico, (Cr-Ni, oppure Cr-Mo-Ni) contiene la fase solida austenite, che è una soluzione solida di Ferro con tenore di Carbonio minore del 2%; questa fase è resa stabile dalla presenza di Nickel.

•  ferritico, con Cr (10,5 ÷ 20%) + C (max. 0,08%) + (Mo e Ni) Questo gruppo di acciai inox ha caratteristiche di buona resistenza alla corrosione, specialmente alla tensocorrosione (stress corrosion). Il maggior uso è nell'industria chimica e alimentare (serbatoi e contenitori) Sono magnetici.

•  martensitico, al Cr (11÷18%) + C (0,08÷1,2%) + Ni (max. 2,5%) che contiene la fase solida chiamata martensite prodotta a seguito di un rapido raffreddamento (tempra) di un fase austenitica. L’Acciaio inossidabile martensitico (ad esempio lo AISI 420) è duro e tenace e risulta pertanto indicato per la fabbricazione di strumenti chirurgici, soprattutto lame per bisturi e altri strumenti da taglio. Per contro gli Acciai austenitici hanno una superiore resistenza alla corrosione e sono quindi più indicati per la produzione di dispositivi impiantabili quali protesi articolari e soprattutto mezzi di osteosintesi.

Trattamenti dei metalli Lavorazioni dei metalli: Le tecniche di lavorazione dei metalli si suddividono in due tipi: •  Lavorazioni a caldo, quando il metallo in lavorazione è caldo (forgiatura, fusione) •  Lavorazioni a freddo, quando il metallo in lavorazione è freddo (piegatrici, tranciatrici, ecc) Forgiatura: è un processo di produzione industriale di trasformazione plastica di pezzi metallici a sezione varia, solitamente portati allo stato rovente e lavorati quindi con ripetute scosse di un maglio, una pressa per forgiatura ecc. La forgiatura incrementa le caratteristiche di resistenza meccanica Una variante della forgiatura, eseguita a freddo, prende il nome di stampaggio o coniatura (tipico esempio le monete metalliche) Tempra: Il trattamento di tempra consiste in un brusco raffreddamento del metallo dopo averlo portato ad alta temperatura; ciò ne incrementa notevolmente la durezza superficiale ma anche la fragilità

Tipi di acciaio inossidabile

Leghe di Cobalto

Il cobalto è un elemento bianco-argenteo, ferromagnetico e molto duro. Il 60Co, un suo isotopo radioattivo artificiale, è un importante tracciante radioattivo ed è impiegato nel trattamento di molti tipi di tumori. Il cobalto ed i suoi sali trovano impiego in numerosi settori ed applicazioni. Leghe metalliche, quali ad esempio quelle impiegate nella realizzazione di turbine per motori d'aereo, leghe ad alta resistenza alla corrosione e all'usura, acciai per utensili ad alta velocità, utensili al diamante •  Magneti e supporti magnetici per registrazioni •  Catalizzatori per le industrie petrolchimica e chimica •  Materiale di rivestimento per elettrodeposizione per il suo aspetto, la sua resistenza e la sua durezza. •  Composti disidratanti per vernici, lacche ed inchiostri •  Polveri per il rivestimento di porcellane e smalti •  Pigmenti: blu cobalto e verde cobalto •  Elettrodi per batterie d'auto

Leghe di Cobalto

appartengono a due categorie: le leghe Co-Cr-Mo che sono solitamente impiegate per ottenere pezzi per fusione le leghe Co-Cr-Ni-Mo che sono solitamente utilizzate per forgiatura a caldo. Queste leghe sono state usate per decenni per protesi dentali e, più recentemente, per protesi sottoposte a carichi elevati, come quelle del ginocchio e dell’anca. In genere le leghe di Cobalto contengono alto tenore di Cromo e il Molibdeno è aggiunto per ridurre le dimensioni dei grani e per aumentare le proprietà meccaniche dopo la fusione o le altre lavorazioni per deformazione plastica.

Leghe di Cobalto

Tra le leghe Co-Ni-Cr-Mo, quella che contiene circa il 35% sia di cobalto che di nickel (F562) è una delle più promettenti, in particolare a motivo della sua resistenza alla corrosione salina, anche sotto sforzo. Le superiori qualità di resistenza alla fatica di questa lega la rendono particolarmente adatta nelle applicazioni che richiedono lunga durata senza presentare fenomeni di frattura o fatica del metallo, come è proprio il caso dello stelo delle protesi d’anca. Questi vantaggi sono particolarmente significativi qualora sia necessario rimpiazzare la protesi, poiché risulta molto difficile rimuovere frammenti del vecchio impianto che deve essere saldamente inserito in profondità nel canale midollare. Le lavorazioni a freddo, poi, ne aumentano la resistenza in modo considerevole. Tuttavia, ci sono notevoli difficoltà nel produrre con tecniche a freddo impianti di dimensioni notevoli, come gli steli delle protesi articolari dell’anca; di conseguenza, per questo tipo di protesi si deve ricorrere alla forgiatura a caldo.

Leghe di Cobalto

Il Titanio e le sue leghe

ll titanio è un elemento metallico che è ben conosciuto per la sua resistenza alla corrosione e per il suo alto rapporto resistenza/peso. È leggero, duro, con una bassa densità e, allo stato puro si presenta abbastanza duttile, lucido e di colore bianco metallico. Per contro, le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili, e la difficoltà di lavorazione alle macchine utensili è paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile, notoriamente il più problematico da plasmare per asportazione di truciolo. Il titanio e le sue leghe devono la loro eccellente resistenza alla corrosione alla formazione di un film di biossido di Ti superficiale, particolarmente duro e resistente ad attacchi chimici. Il maggior problema, da un punto di vista della corrosione, che Ti e leghe possono dare in impiantologia è la fretting corrosion che di solito è l'anticamera di lesioni più importanti, specie su pezzi sottoposti a fatica. Il titanio è resistente come l'acciaio ma il 45% più leggero, pesa il 60% in più dell'alluminio ma con una resistenza doppia. Queste proprietà lo rendono molto resistente alle forme usuali di fatica dei metalli.

Il Titanio e le sue leghe Altri impieghi:

•  Grazie all'eccellente resistenza all'acqua di mare, viene usato per fabbricare parti dei propulsori marini.

•  In aggiunta ad essere un importante pigmento, il biossido di titanio viene impiegato nei filtri solari a causa della sua capacità di proteggere la pelle.

•  Ha la proprietà di essere biocompatibile, in quanto presenta porosità superficiale analoga a quella dei tessuti umani, per cui risulta fisiologicamente inerte. Per questo motivo la lega a base di titanio Ti6Al4V viene utilizzata nelle componenti protesiche di anca e ginocchio, e nelle protesi implantari dentarie.

•  Il suo essere inerte e la colorazione attraente lo rendono un metallo popolare per l'uso nei piercing.

•  Sempre per la sua bioinerzia e resistenza meccanica, in ambito sanitario è utilizzato per la fabbricazione di clips chirurgiche da sutura permanente ed in odontoiatria per la realizzazione di impianti dentari.


Tra le proprietà meccaniche del titanio commerciale e della lega Ti6Al4V, vi è un basso modulo d’elasticità (100-110 GPa), che risulta circa la metà di quello delle leghe del cobalto. Altre caratteristiche dipendono poi dalle impurezze contenute nel materiale, il cui aumento innalza la resistenza e riduce la duttilità. La resistenza del titanio e delle leghe varia così da valori inferiori a quelli dell’acciaio 316, o delle leghe a base di cobalto, a valori quasi uguali a quelli dell’acciaio inox temprato e delle leghe cobalto/cromo/molibdeno.


S e s i c o n s i d e r a l a resistenza specifica (ossia il rapporto tra resistenza e densità), risulta che la lega di titanio presenta valori migliori rispetto qualsiasi altro materiale usato per le protesi.

Resistenza specifica 𝑀𝑃𝑎∙ 𝑚↑3 /𝑘𝑔 

Vantaggi e limiti del Titanio

La risposta infiammatoria dei tessuti al contatto con il titanio risulta modesta ed il titanio è pertanto considerato come il più biocompatibile fra tutti i metalli. Tuttavia le miglior caratteristiche meccaniche della lega Ti6Al4V hanno nel tempo soppiantato l’uso del titanio puro, che pure risulterebbe molto più adatto in termini di biocompatibilità per la totale assenza di elementi come l’alluminio ed il vanadio. Infatti, mentre il titanio e i prodotti formati a seguito del rilascio di suoi ioni sono considerati non-tossici, alcune gravi patologie sono associate all’accumulo di alluminio; inoltre il rilascio di vanadio può essere responsabile di fenomeni di carcinogenesi. Problemi Il titanio ha una scarsa resistenza al taglio e inoltre, quando entra in contatto di scorrimento con sè stesso o con altri metalli, tende a grippare. Per questo motivo, le superfici esposte all’attrito vengono rivestite con altri materiali: è classico il caso delle protesi articolari in titanio, o in lega di titanio, rivestite con materiale ceramico.

Leghe Nichel-Titanio (Ni-Ti)

Queste leghe possiedono una singolare proprietà denominata “Memoria di Forma” che sostanzialmente indica la capacità di alcuni materiali di “ricordare” la configurazione iniziale e di ritornarvi, anche dopo deformazioni significative o semplicemente quando la causa deformante viene rimossa o quando sottoposti ad opportuni trattamenti termici. Tale capacità si manifesta tramite due comportamenti caratteristici:

1.  effetto a memoria di forma (Shape Memory Effect, SME): il materiale, sottoposto a sollecitazioni meccaniche a basse temperature, si deforma inelasticamente manifestando, alla rimozione del carico, deformazioni residue dette pseudo-plastiche. Il riscaldamento oltre ad una temperatura limite permette però di recuperare la configurazione iniziale indeformata che viene mantenuta dopo il raffreddamento

2.  pseudo-elasticità o super-elasticità (Pseudo-elastic o Super-elastic Effect, PE): il materiale sottoposto a sollecitazione meccanica ad alte temperature raggiunge deformazioni considerevoli (anche dell’8-10%) restando in campo elastico


Fra le leghe a memoria di forma quelle basate sul composto binario Ni-Ti (48-52 % in peso Ni) sono particolarmente interessanti per le loro proprietà di memoria di forma, pseudo-elasticità, grande lavorabilità, resistenza a fatica e a corrosione: la maggior parte dei dispositivi a memoria di forma oggi prodotti utilizzano tali leghe. L’impiego del composto Ni-Ti nei dispositivi biomedici è inoltre suggerito dalla buona risposta biologica mostrata dall’organismo agli impianti in Ni-Ti e dal fatto che il comportamento meccanico di queste leghe, se paragonato a quello dei materiali metallici classici, è molto più simile al comportamento meccanico dei tessuti biologici. Inoltre, data la costanza della temperatura, il corpo umano è particolarmente adatto alle applicazioni delle leghe a memoria di forma in quanto permette un buon controllo del comportamento di questi Tipiche applicazioni: •  fabbricazione di fili per gli archetti in ortodonzia •  clips per aneurismi intracranici •  filtri per la vena cava •  muscoli contrattili per cuori artificiali •  protesi ortopediche ed altri specifici apparati medicali


Attualmente sono molti gli esempi di applicazioni mediche in cui la lega a memoria di forma Ni-Ti è utilizzata con successo: impianti a contatto con diversi tipi di tessuti corporei (muscolo, sangue, parete vascolare, osso, cavo orale), impianti permanenti o temporanei (strumenti chirurgici). Campo ortodontico Fili in Ni-Ti, sono ormai da anni utilizzati con successo nel trattamento ortodontico fisso multibrackets. In particolare la pseudoelasticità è sfruttata per generare, dopo l’inserimento del filo all’interno della sede nel bracket, una forza costante in corrispondenza di elevati movimenti dentali. In particolare il fenomeno del “recupero vincolato” viene, invece, sfruttato per produrre fili che, deformati durante l’inserimento nei brackets, tendono a recuperare la forma originaria ogniqualvolta il paziente ingerisce cibi e/o bevande calde: essendo il recupero impedito, i fili esercitano forze leggere sui denti per tutto il periodo in cui la temperatura del cavo orale rimane al di sopra dei valori normali

Biomateriali ceramici

Il termine “ceramica” risale dal greco “keramos”, che significa “materiale cotto”. La lavorazione e la cottura dell’argilla (mescolata a grasso animale e ossa in polvere) ha origini antichissime (9000 a.C.) Accanto ad un uso “tradizionale” delle ceramiche, soprattutto nel settore edilizio e domestico (laterizi, piastrelle per pavimenti e rivestimenti, porcellane e stoviglie) negli ultimi anni ha avuto un notevole sviluppo la realizzazione di prodotti per applicazioni altamente specifiche, tra le quali quelle biomediche. Per la verità, non esiste una definizione per “materiale ceramico” unanimamente condivisa: alcuni includono tra i ceramici tutti i materiali solidi che non sono né metallici né polimerici; altri considerano i materiali ceramici dei solidi inorganici costituiti dall’unione di elementi metallici e elementi non metallici Una ragionevole definizione può essere la seguente: sono materiali ceramici tutti i materiali ottenuti da materie prime inorganiche non metalliche mediante formatura e successiva cottura.

Biomateriali ceramici I materiali ceramici possono essere ottenuti combinando un’ampia gamma di materie prime e possono esistere in una grande varietà di forme, sia cristalline che vetrose (o amorfe). La struttura atomica dei materiali ceramici (natura del legame chimico e microstruttura) conferisce loro le proprietà di ottima resistenza al calore e all’attacco degli agenti chimici (refrattarietà), nonché di isolamento elettrico e termico e di buona resistenza ai carichi di compressione. Purtroppo essa è anche causa di un comportamento meccanico caratterizzato da fragilità: la struttura cristallina dei materiali ceramici non consente il movimento relativo degli atomi, così, quando il materiale è deformato oltre un certo limite, subisce una frattura fragile. In generale i materiali ceramici sono distinti in materiali ceramici tradizionali e materiali ceramici avanzati. Tra i primi sono usualmente annoverati i prodotti impiegati per alcune applicazioni ormai da lungo tempo consolidate, e per questo motivo considerate “tradizionali”: piastrelle, porcellane, mattoni, laterizi, tegole, sanitari. Questi prodotti sono ottenuti utilizzando materie prime ampiamente diffuse sulla crosta terrestre, quali l’argilla e i silicati.

Biomateriali ceramici Oggigiorno, la classe dei ceramici comprende una varietà ben più ampia di materiali, tra cui alcuni di più recente introduzione, noti come materiali ceramici avanzati. Lo sviluppo di questi prodotti tecnologicamente “avanzati” si è reso necessario per i continui sviluppi nel settore della produzione di energia, dell’ingegneria aerospaziale, di quella militare, di quella medica ed elettronica, per le applicazioni alle elevate temperature. Questi prodotti sono realizzati partendo da composti ottenuti spesso per sintesi, come ossidi (ad esempio l’allumina, Al2O3), carburi (SiC, carburo di silicio) oppure nitruri (Si3N4, nitruro di silicio).


Ossidi: •  Allumina (Al2O3) •  Ossido di Magnesio (MgO) •  Silice (SiO2) Sali ionici: •  Cloruro di Sodio (NaCl) •  Cloruro di Cesio (CsCl) •  Solfuro di Zinco (ZnS) Strutture di Carbonio: •  Diamante •  Grafite •  Carbonio turbostrato

Ceramiche tradizionali (Argilla con Quarzi, Marne e Calcari): •  a pasta porosa (terrecotte, terraglie e maioliche) •  a pasta compatta (porcellane e grès) Materiali ceramici tradizionali: •  a base di Silicio (Silicati, Feldspati) •  a base di Alluminio (Allumina) Ceramici avanzati (materiali inorganici non metallici): •  Ossidi, •  Siliciuri •  Carburi


Le principali proprietà meccaniche dei materiali ceramici sono: •  Una curva sforzi-deformazioni di tipo fragile ed uno sforzo di rottura per trazione σt che è circa il 5÷10% dello sforzo a rottura per compressione σc. Per l’ Allumina ad esempio si ha: E = 380 GPa σt = 400 MPa σc = 4000 MPa •  Caratteristiche tribologiche migliori rispetto a quelle di altre classi di materiali, in quanto il coefficiente di attrito è estremamente basso. •  A causa delle spiccate caratteristiche di durezza e fragilità i materiali ceramici non sono adeguati per costruire interamente componenti, ma possono essere vantaggiosamente impiegati come materiali di rivestimento per conferire particolari proprietà superficiali a manufatti realizzati con altri materiali.


I ceramici sono utilizzati nella realizzazione di dispositivi per la sostituzione funzionale di tessuti duri. Alcune tipiche applicazioni sono: Ortopedico •  protesi articolari •  mezzi di osteosintesi Odontoiatrico •  implantologia •  denti artificiali

Otorinolaringoiatrico •  protesi degli ossicini dell’orecchio interno •  chirurgia ricostruttiva del naso e della gola Cardiovascolare •  protesi valvolari cardiache

In base alla loro potenziale compatibilità biologica, i biomateriali ceramici si classificano in due principali categorie: •  ceramici bioinerti •  ceramici bioattivi Bioinerzia: il materiale impiantato non induce né subisce alterazioni chimiche o biologiche dovute al contatto con l’ambiente biologico. Bioattività: il materiale è in grado di indurre nei tessuti biologici una risposta attivando processi chimici e biologici all’interfaccia.

Biomateriali ceramici inerti:Allumina

L’Allumina pura (Ossido di Alluminio, Al2O3) è utilizzata sin dai primi anni 70 come materiale da innesto, specialmente per protesi artificiali e impianti dentali grazie alla sua eccellente compatibilità con i tessuti ed alle sue buone proprietà meccaniche.

Nel corso degli ultimi anni ha assunto un ruolo fondamentale anche nel campo della chirurgia maxillofacciale. Possiede però una bassa resistenza a trazione motivo per cui il suo uso è limitato alle condizioni di carico di sola compressione.

I materiali tipicamente utilizzati per la fabbricazione degli impianti sono:

•  allumina policristallina ad alta densità e purezza ;

•  zaffiri monocristallini accresciuti artificialmente. Il principale problema connesso con l’uso dell’Allumina è la sua fragilità in quanto forze impulsive possono produrre la rottura del materiale. Inoltre, nonostante l’ottima levigatezza superficiale ottenibile, può accadere che le superfici articolari realizzate in Allumina si usurino rapidamente per distacco dei grani se si innesca in qualche punto un processo di usura.

Allumina

Allumina

•  Nelle endoprotesi articolari, è fondamentale impiegare materiali caratterizzati da ottima resistenza all’usura, basso coefficiente di attrito ed elevata resistenza a fatica.

•  L’allumina è fragile ed ha bassa resistenza a flessione rispetto ai metalli ed ai materiali plastici ma ha proprietà tribologiche che migliorano con il tempo, e sono migliori rispetto a quelle di altri materiali.

•  Confrontando le coppie allumina-allumina e metallo-UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene) con un carico di 5000 N ad una frequenza di un ciclo/sec per un numero di cicli di carico pari a 107 corrispondenti ad una vita utile di 10 anni si può notare come inizialmente entrambe la coppie mostrino lo stesso coefficiente di attrito, ma successivamente quello tra allumina/allumina decresce approssimandosi alle condizioni della giunzione naturale mentre nella coppia metallo-UHMWPE si mantiene costante e poi incrementa.

Allumina

La bagnabilità del componente è un requisito fondamentale perché l’usura si trovi in un range di valori accettabili. Le illustrazioni mostrano l’angolo di bagnabilità esibito da vari materiali quali metalli, polietilene ed allumina. Minore è l’angolo di bagnabilità maggiore è il grado di lubrificazione Come si può vedere l’allumina mostra l’angolo più piccolo il che è indice di una migliore lubrificazione

Materiali ceramici bioattivi

Bioattività: il materiale è in grado di indurre nei tessuti biologici una risposta attivando processi chimici e biologici all’interfaccia. I ceramici bioattivi favoriscono: •  reazioni positive dell’ambiente biologico all’impianto (ad esempio attività rigeneratrice dell’osso), •  reazioni chimiche che modificano il materiale per un certo spessore sotto la sua superficie. Sono riconducibili a due categorie: •  I ceramici intrinsecamente bioattivi i quali favoriscono la bioattività grazie alla loro composizione chimica, quali BioCeramiche (Idrossiapatite) e BioVetri (Bioglass, Cervital). •  I ceramici nei quali la bioattività è indotta o da trattamenti di superficie (ad esempio il rivestimento con sostanza polimeriche o con eparina [1]) o a seguito del riempimento dei pori del materiale con sostanze farmacologicamente attive. [1] Anticoagulante presente nel fegato e in altri tessuti, usato per contrastare il rischio di trombosi e embolie, e in laboratorio per rendere in coagulabile il sangue da esaminare.

L’idrossiapatite

•  [Fosfato di Calcio, Ca10(PO4)6(OH)2] è la bioceramica più usata poiché possiede caratteristiche chimico-strutturali molto simili a quelle della componente minerale dell’osso e del dente, e per tale ragione è spesso impiegata come osso artificiale.

•  La sostituzione di un gruppo OH- con uno ione F- aumenta di molto la stabilità chimica dell’idrossiapatite ed è questo il motivo per cui i denti sono più resistenti alla carie se sottoposti a fluoroprofilassi

•  L’Idrossiapatite ha un elevato modulo elastico (40÷117 GPa) rispetto ai tessuti biologici duri, che sono caratterizzati dalla presenza di sostanze, quali proteine e acqua.

•  Lo Smalto dentario, che è il materiale più mineralizzato e duro dell’organismo umano, ha un modulo elastico di 48 GPa, la Dentina di 14 GPa e l’osso compatto di 12÷18 GPa.

•  Il coefficiente di Poisson del’Idrossiapatite (0.27) è molto simile a quello dell’osso (0.3).

L’idrossiapatite

•  L’idrossiapatite possiede un’eccellente biocompatibilità in quanto è capace di formare legami con i tessuti duri.

•  Nel caso in cui all’interno dell’osso si inserisca un corpo la cui superficie è costituita da Idrossiapatite artificiale, l’osso “riconosce” tale materiale e avvia un processo di penetrazione di sostanze organiche.

•  Questo processo avviene solo per uno spessore modesto, in quanto l’Idrossiapatite artificiale presenta una struttura a grani rotondeggianti ed è quindi più compatta di quella naturale L’Idrossiapatite trova applicazione nella realizzazione di •  piccole ossa (ad esempio quelle timpaniche), •  piccole porzioni di osso corticale per correzioni scheletriche, •  rivestimenti di protesi metalliche per applicazioni ortopediche o odontoiatriche, ciò al fine di favorire l’osteointegrazione.

•  Di recente è stato introdotto in Italia il primo dentrificio al mondo con cristalli di idrossiapatite. Frutto della collaborazione tra l'azienda Guaber e l'università di Bologna, questo dentifricio “promette” una progressiva riparazione delle microfratture presenti sullo smalto dentale. Il nome commerciale è Blanx Biorepair.

L’idrossiapatite

I Biovetri I biovetri (noti con i nomi commerciali di Bioglass e Cervital) sono ceramici costituiti da silice (SiO2), ossido di calcio (CaO), ossido di sodio (Na2O) e anidride fosforica (P2O5) a cui si possono aggiungere altri componenti per ottenere una maggiore stabilità chimica. Sono caratterizzati dalle seguenti proprietà: •  basso coefficiente di dilatazione termica (circa 10-7÷10-5 °C-1) •  resistenza a trazione nel range100÷200 MPa, •  resistenza all’abrasione paragonabile a quella dello Zaffìro, •  fragilità elevata. Il BioVetro non è in generale adatto alla realizzazione di componenti ai quali sono richieste elevate prestazioni meccaniche, mentre buoni risultati si ottengono con BioVetro filato e intrecciato con fibre polimeriche. Queste soluzioni tecnologiche trovano applicazione nella sostituzione di tendini. Altre applicazioni riguardano i rivestimenti di protesi ortopediche metalliche di cui aumentano la biocompatibilità, in quanto hanno eccellenti proprietà di favorire l’adesione dei tessuti biologici duri.

Materiali polimerici •  I materiali polimerici (volgarmente definiti “materie plastiche”) sono sostanze generalmente organiche (ma esistono anche importanti polimeri inorganici) costituite da molecole di grandi dimensioni (macromolecole) formate dalla ripetizione di unità uguali o differenti dette monomeri.

•  La struttura dei polimeri può variare significativamente (esistono polimeri a catena lineare, ramificata ecc.) ed essi sono caratterizzati da cattiva conduzione elettrica, bassa densità e basse temperature di rammollimento.

•  Le proprietà meccaniche sono estremamente variabili in funzione della natura dei costituenti e del tipo di struttura del polimero

•  I polimeri costituiscono circa il 45% dei biomateriali e le loro tipiche applicazioni spaziano dall’ortopedia, alle protesi cardiovascolari fino alla realizzazione di interi organi artificiali

•  Polimeri liquidi o in forma di gel sono largamente impiegati nel settore oftalmico per la produzione di lenti a contatto e come riempitivi nelle protesi di tipo cosmetico

Materiali polimerici

Materiali polimerici •  I materiali polimerici hanno vastissime applicazioni nel settore della BioIngegneria anche perché danno la possibilità di realizzare facilmente manufatti di differenti forme quali ad esempio: •  fibre •  tessuti •  pellicole •  barre •  forme geometricamente complesse •  liquidi viscosi •  Inoltre con i polimeri è possibile fabbricare gran parte dei materiali compositi i quali possono avere sia la matrice sia il riempitivo polimerico.

•  I polimeri sintetici hanno una struttura chimica molto simile ai polimeri naturali contenuti nei tessuti biologici, ad esempio, il collagene, e in alcuni casi è possibile ottenere dei legami chimici tra le catene dei polimeri naturali e quelle dei polimeri sintetici.

Materiali polimerici •  L’affinità chimica esistente tra molti polimeri e i tessuti dell’organismo, conferisce a questi material i eccellenti caratteristiche di biocompatibilità.

•  In alcune circostanze l’organismo “metabolizza” il polimero degradandolo nel tempo fino alla sua completa eliminazione. Q u e s t o f e n o m e n o è s t a t o s f r u t t a t o vantaggiosamente per creare dispositivi medici ad impiego temporaneo (es. fili di sutura e sistemi di osteosintesi) i quali sono distrutti dall’organismo in tempi compatibili con quelli necessari dispositivo per esplicare la sua azione benefica.

•  I polimeri per uso biomedico differiscono da quelli impiegati per applicazioni soprattutto per le quantità limitate di additivi e di residui monomerici contenuti (che possono essere rilasciati nei tessuti).


Catena Lineare

Catena Ramificata

Catena Reticolata


I polimeri a catena lineare o ramificata hanno proprietà meccaniche inferiori ai polimeri reticolati. Infatti le catene lineari e ramificate sono legate fra loro da legami deboli del tipo Van der Waals, dipolo-dipolo, etc., che consentono, quando i l po l ime ro è so t t opos to a sollecitazione, lo scorrimento delle catene l’una rispetto all’altra. Tale scorr imento, d i t ipo v iscoso, è responsabile del comportamento viscoelastico dei polimeri a catena lineare o ramificata. Nei polimeri a catena ramificata la particolare conformazione strutturale delle catene, fa si che esse scorrano con maggiore difficoltà a causa degli impedimenti fisici che si generano


I polimeri reticolati... hanno una massa assimilabile ad una sola macromolecola che si estende tridimensionalmente e quindi possiedono proprietà di rigidezza e resistenza meccanica superiori. Infatti si generano tra le catene dei veri e propri ponti con legami covalenti [1] tali per cui non è più possibile avere lo scorrimento viscoso. [1] Il legame covalente è il legame chimico che si stabilisce tra atomi uguali o diversi mettendo insieme una o più coppie di elettroni.

Termoplastici e indurenti

I materiali polimerici sono classificabili, in base alle loro proprietà termomeccaniche in: •  termoplastici •  termoindurenti I termoplastici, a catena lineare o ramificata, sono modellabili plasticamente un numero praticamente illimitato di volte, purché ciò avvenga in un certo intervallo di temperature. Se si somministra sufficiente energia termica, le catene si staccano l’una dall’altra ed il materiale fonde. Gli indurenti, invece (a catena reticolata) subiscono una modificazione chimica durante il processo di trasformazione (reticolazione, crosslinking) che li fa diventare permanentemente insolubili ed infusibili (anzi è proprio il calore che determina inevitabilmente l’indurimento del polimero). Essi, pertanto, se riscaldati non fondono ma bruciano I dispositivi medici impiantabili sono realizzati nella maggior parte dei casi con polimeri termoplastici

Termoplastici

I polimeri termoplastici, come conseguenza de l le p ropr ie tà termomeccaniche e delle proprietà v i s c o e l a s t i c h e d e i m a t e r i a l i macromolecolari, hanno diagrammi sforzo-deformazione che dipendono da •  velocità di deformazione •  temperatura L’ana l i s i de l l e cu r ve s fo r z i -deformazioni ottenute per differenti valori della temperatura o della velocità di deformazione, mostrano due aspetti importanti: •  il polimero diventa più fragile all’aumentare della velocità di deformazione •  Il polimero diventa meno fragile all’aumentare della temperatura

Materiali polimerici Polimero Sigla PrincipaliApplicazioni

AcidoPoliglicolico PGA SutureBiodegradabili,placcheechiodiendomidollari

AcidoPolila8co PLAPlaccheechiodiendomidollari,legamen:ar:ficiali,somminsitrazionecontrollatadifarmaci

CopolimeriButadiene-S:rene BS Ar:colimonouso,imballaggiCopolimeriS:rene-Acrilonitrile SAN Aspiratoridisangue,componen:diemodializzatoriPoliacrilonitrile PAN MembraneperemodialisiPoliammidi Suturenonassorbibili,tendinielegamen:Policarbonato PC MembraneperossigenatoriedemodialisiPolidrossimetacrilato PHEMA Len:acontaEo,legamen:ar:ficialiPolie:lene PE;LDPE;HPDEPellicole,imballaggi,catateri,tubiconneEori,somministrazionecontrollatadifarmaciPolie:lene(PM>2000000) UHMWPE Superficiar:colari,fibrepercomposi:,placcheortopediche,rives:men:stelifemorali

Polie:lenterePalato PETProtesivascolari,anellidisutura,suture,passaggitranscutanei,componen:diprotesivalvolari

Polime:lmetacrilato PMMA Cementoosseo,len:acontaEoeintraoculari,membraneperemodialisi,materialidentariPolipropilene PP Imballaggisterili,siringhe,conneEori,membraneperossigenatori,filidisuturaPolisolfone MembraneperossigenatoriedemodialisiPolitetrafluoroe:lene PTFE Componen:diprotesivalvolari,protesivascolari,legamen:ar:ficiali

Poliuretani PURsCateteri,cannule,tubiendotracheali,protesivalvolari,membraneperemodialisi,saccheventricolari,rives:men:emocompa:bili,somminstrazionecontrollatadifarmaci

Polivinilcloruro PVC Sacchepersangue,tubiendotracheali,guan:monouso,cateteri

SiliconiCatateri,drenaggi,membrane,pellear:ficiale,impian:perchirurgiaplas:ca,protesivascolari,protesitracheali,rives:men:,infusori,componen:diprotesivalcolari


PoliEsteri

Dacron (PET) protesi vascolari anelli di sutura per protesi vascolari cardiache suture non bioassorbibili rinforzi di tessuti danneggiati (ernie addominale e inguinale) sostituzione di Tendini e Legamenti

Acidi poliglicolico (PGA) e polilattico (PLA) viti placche chiodi intramidollari

PoliAmmidi

Nylon (suture non bioassorbibili) Kevlar (sostituzione di Tendini e Legamenti)


PoliEtilene

LDPE (low-density) e LLDPE (linear low-density) pellicole contenitori tubi UHMWPE (ultrahigh molecular weight) impianti ortopedici cavità articolari protesi d’anca piatto tibiale protesi di ginocchio

PoliTetraFluoretilene (PTFE)

Teflon Gore-Tex (PTFE Espanso o microporoso) protesi vascolari legamenti


PoliSilossani (SILASTIC)

cateteri tubi ricostruzione di tessuti mancanti (es. mammella)

PoliUretani superfici interne di: camere di pompaggio dei cuori artificiali ventricoli di assistenza cardiocircolatoria

PoliMetilMetAcrilato (PMMA, Plexiglas, Perspex)

contenitori di: pompe filtri ossigenatrici

componenti ottici cemento per ossa

I Poliesteri

I PoliEsteri maggiormente usati per applicazioni biomediche sono il Dacron (PoliEtilenTereftalato), gli acidi poliglicolico (PGA) e polilattico (PLA). Un promettente esempio applicativo in ortopedia dei polimeri biodegradabili (PGA, PLA) è quello di •  viti, •  placche, •  chiodi intramidollari che, invece di essere rimossi quando hanno esaurito la loro funzione stabilizzante delle ossa fratturate, vengono riassorbiti ed eliminati dall’organismo ospite. Il principale problema associato con l’uso di polimeri biodegradabili per osteosintesi è il controllo della velocità di degradazione che deve essere adeguata al processo di guarigione dell’osso. Infatti, durante la degradazione, le proprietà meccaniche del polimero peggiorano e ciò deve avvenire solo contemporaneamente alla mineralizzazione del callo osseo.

Poliesteri e Poliammidi

Nel settore delle protesi del sistema cardiovascolare il Dacron (Poliestere) è largamente impiegato per realizzare: •  protesi vascolari, •  anelli di sutura per protesi vascolari cardiache. Il Dacron viene fabbricato in fibre e successivamente tessuto per realizzare le protesi o i loro componenti. Questi sono facilmente suturabili e tendono a promuovere una progressiva crescita di neoendotelio [2] che li riveste migliorandone l’emocompatibilità. I tessuti di Dacron trovano anche interessanti applicazioni quando è necessario rinforzare tessuti danneggiati come nel caso delle ernie addominali o inguinali. Anche le PoliAmmidi sono adoperate con successo come biomateriali e fra queste si ricordano il Nylon e il Kevlar, materiale quest’ultimo con il quale si possono realizzare fibre ad elevatissime proprietà meccaniche. [2] L’endotelio è un tessuto costituito da cellule appiattite, che riveste l’interno dei vasi sanguigni e linfatici e del cuore.

Polietilene

Il polietilene (PE) è il più semplice dei polimeri sintetici ed è il più comune fra le materie plastiche. Si tratta di una resina termoplastica che si presenta sotto forma di solido trasparente (forma amorfa) o bianco (forma cristallina) con ottime proprietà isolanti e di stabilità chimica. Il PE è un materiale molto versatile ed una delle materie plastiche più economiche; gli usi più comuni sono come isolante per cavi elettrici, film per l'agricoltura, borse e buste di plastica, contenitori di vario tipo, tubazioni, strato interno di contenitori asettici per liquidi alimentari ("Tetra Brik Aseptic") e molti altri. Usualmente si classificano le differenti tipologie di PE in base al grado di cristallinità come segue: • low-density (LDPE), • linear low-density (LLDPE), • high-density (HDPE).

UHMWPE

Negli impianti ortopedici è impiegato un HDPE con un elevatissimo peso molecolare e comunemente noto come ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE). Lo UHMWPE è caratterizzato da •  basso coefficiente di attrito •  eccellente resistenza alle forze impulsive (urti) •  buona resistenza alla fatica meccanica •  buona biocompatibilità Per contro mostra: •  elevata deformabilità viscosa •  problemi legati all’usura (soprattutto in relazione al suo impiego nei giunti articolari in ortopedia) •  una modesta stabilità all’ossidazione

Attualmente la quasi totalità delle protesi articolari impiega UHMWPE per fabbricare uno dei due componenti del giunto articolare (il cotile nel caso delle protesi d’anca, il piatto tibiale nel caso del ginocchio).

PTFE

Il PoliTetraFluoretilene, noto con il nome commerciale di Teflon, è considerato un materiale caratterizzato da buona biocompatibilità dovuta in gran parte alla sua elevata inerzia chimica che lo rende stabile nel tempo. È un polimero termoplastico altamente cristallino che possiede resistenza meccanica simili a quelle del Polietilene. Il PTFE ha eccellenti caratteristiche antiattrito, ma modeste proprietà meccaniche fra cui un basso limite elastico. Per aumentare le proprietà meccaniche si possono usare dei riempitivi ottenendo così un compositi a matrice di PTFE. Un particolare tipo di PTFE è quello espanso o microporoso, noto con il nome commerciale di Gore-Tex, che consiste di microfibrille orientate di PTFE tenute insieme da nodi solidi anch’essi in PTFE. Il tessuto in fibre di PTFE, e più recentemente e con maggior successo clinico il Gore-Tex, sono impiegati per la fabbricazione di protesi vascolari e di protesi di legamenti.


l polimetilmetacrilato (in forma abbreviata PMMA) è una materia plastica formata da polimeri del metacrilato di metile, noto anche con i nomi commerciali di Plexiglas, Vitroflex, Limacryl, Perspex, e Lucite. Di norma è molto trasparente, più del vetro al punto che possiede caratteristiche di comportamento assimilabili alla fibra ottica per qualità di trasparenza, e con la proprietà di essere più o meno in percentuali diverse, infrangibile a seconda della sua "mescola". Per queste caratteristiche è usato nella fabbricazione di vetri di sicurezza e articoli similari, nei presidi antinfortunistici, nell'oggettistica d'arredamento o architettonica Nel campo biomedico è largamente impiegato per la fabbricazione di contenitori, anche per componenti attivi quali pompe, filtri, ossigenatori, etc. nei quali è necessario vedere all’interno. È usato anche in chirurgia oculistica per la produzione di componenti ottici. Una particolare applicazione del PoliMetilmetAcrilato è quella del cemento per ossa impiegato per il bloccaggio delle protesi articolari in chirurgia ortopedica

In sintesi…

Materiali e Biomateriali -...

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