Resistenza dei BioMateriali

Resistenza dei BioMateriali

BioMateriali artificiali 1


BioMateriali artificiali


BioMateriali artificiali S 2

Categorie di materiali impiegati nelle applicazioni bioingegneristiche

Protesi vascolari, protesi valvolari, rivestimenti

Scarsa affidabilitàmeccanica, difficoltà di trattamento e conservazione

Ottima biocompatibilitàBiologici (vene, pericardio, valvole cardiache)

Protesi valvolari cardiache, protesi di ginocchio

Scarsa coesione tra i componenti, difficoltà di lavorazione

Buona biocompatibilità, inerzia chimica, buone caratteristiche meccaniche, resistenza alla corrosione

Compositi (metalli rivestititi con ceramici, matrici rinforzate con fibre)

Protesi d’anca, protesi dentali, dispositivi percutanei

Bassa affidabilitàmeccanica, bassa resistenza alla trazione impulsiva, alta densità di massa, fragilità, difficoltà di lavorazione

Buona biocompatibilità, inerzia chimica, elevata resistenza alla compressione, resistenza alla corrosione

Ceramici (ossidi di alluminio, alluminati di calcio, ossidi di titanio, carboni)

Suture, cateteri, drenaggi, protesi cardiovascolari, cementi per ossa, dispositivi per il trattamento del sangue

Bassa resistenza meccanica, degradabilitànel tempo

Tenacia, bassa densità, facilità di lavorazione

Polimerici (siliconi, poliuretani, polietilene, acrilati, fluorurati, poliesteri)

Mezzi di osteosintesi, protesi per ortopedia e odontoiatria

Scarsa biocompatibiltà, alta densità di massa, facilità di corrosione in ambiente fisiologico

Elevate caratteristiche meccaniche, resistenza alla usura

Metallici (acciai, titanio e leghe, leghe di cobalto)

ApplicazioniSvantaggiVantaggiMateriali


BioMateriali artificiali R 3

I materiali polimerici

a catena:• lineare• ramificata• reticolata



Materiale polimerico a catena lineare



Materiale polimerico a catena ramificata



Materiale polimerico a catena reticolata



I Polimeri con 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 derWaals, dipolo-dipolo, etc., che consentono, quando il polimero è sottoposto a sollecitazione, lo scorrimento delle catene l’una rispetto all’altra.

• Tale scorrimento, di tipo viscoso, è responsabile del comportamento viscoelastico dei polimeri a catena lineare o ramificata.

• È comunque importante sottolineare che i polimeri a catena lineare hanno in genere proprietà meccaniche inferiori a quelle dei polimeri a catena ramificata perché questi ultimi, grazie alla conformazione strutturale delle catene, scorrono con maggiore difficoltà a causa degli impedimenti fisici che si generano.



I polimeri reticolatihanno una massa assimilabile ad una sola

macromolecola che si estende tridimensionalmente e quindi possiede proprietà di rigidezza e resistenza meccaniche superiori.

• Infatti si generano tra le catene dei veri e propri ponti con legami covalenti [1] tali per cui non è piùpossibile 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.

• Gli indurenti, invece, a catena reticolata, oltre un certo stadio del processo di ottenimento non sono più modellabili e anzi è proprio il calore che determina inevitabilmente l’indurimento del polimero.



I polimeri termoplastici• I polimeri termoplastici, come conseguenza delle proprietà

termomeccaniche e delle proprietà viscoelastiche dei materiali macromolecolari, hanno diagrammi sforzo-deformazione che dipendono da– velocità di deformazione,– temperatura.

• Le curve sforzo-deformazione, come mostrato nella figura seguente, indicano che il polimero diventa più fragile all’aumentare della velocità di deformazione e/o al diminuire della temperatura e viceversa.



Curve sforzo-deformazione per un polimero termoplastico



Applicazioni dei materiali polimerici in BioIngegneria

• I materiali polimerici hanno vastissime applicazioni nel settore della BioIngegneria e ciò dipende da numerose cause.

• Innanzi tutto è facile ottenere manufatti in molte 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.

• In questo senso i materiali polimerici possono avere una buona biocompatibilità intesa come interazione che promuove l’accettazione del materiale da parte dell’organismo.




• Talvolta questa interazione può condurre ad una sorta di metabolizzazione del polimero che nel tempo viene degradato e successivamente eliminato. Questi polimeri vengono impiegati in quelle applicazioni per le quali è richiesto un uso temporaneo.

• I materiali polimerici per uso biomedicodifferiscono dagli stessi materiali impiegati per applicazioni tradizionali in quanto devono contenere quantità molto limitate di additivi e di residui monometrici che possono essere rilasciati nei tessuti.



I materiali polimerici per uso biomedico

• PoliEsteri• PoliAmmidi• PoliEtilene• PoliSilossani• PoliTetraFluorEtilene• PoliUretani• PoliMetilMetAcrilato




• PoliEsteri– Dacron

• 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 e LLDPE

• pellicole• contenitori• tubi

– UHMWPE• impianti ortopedici• cotile [1] della protesi d’anca• piatto tibiale della protesi ginocchio

[1] Il cotile è la cavità articolare dell’ileo in cui si inserisce la testa del femore.• PoliTetraFluoretilene

– Teflon– GoreTex (PTFE espanso o microporoso)

• protesi– vascolari– di 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

– protesi vascolari di piccolo calibro – protesi valvolari cardiache biomorfe

• PoliMetilMetAcrilato (Plexiglas o Perspex)– contenitori di

• pompe• filtri• ossigenatori

– componenti ottici– cemento per ossa



PoliEsteri (PET)• I PoliEsteri maggiormente usati per applicazioni

biomediche sono– il Dacron (PoliEtilenTerEftalato),– gli acidi

• poliglicolico (PGA),• 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.



PoliEsteri (PET)• 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 proprietàmeccaniche del polimero peggiorano e ciò deve avvenire solo contemporaneamente alla mineralizzazione dell’osso calloso.



PoliEsteri (PET)• Nel settore cardiovascolare si usa moltissimo il Dacron per fabbricare

– 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 consentono, previa coagulazione del sangue sulla loro superficie, una progressiva crescita di neoendotelio [2] che li riveste rendendoli emocompatibili.

• I tessuti di Dacron trovano anche interessanti applicazioni quando ènecessario rinforzare tessuti danneggiati come nel caso delle ernie addominali o inguinali.

• Quando i tessuti danneggiati vanno incontro a processi riparativi fisiologici si possono utilizzare poliesteri riassorbibili.

[2] L’endotelio è un tessuto costituito da cellule appiattite, che riveste l’interno dei vasi sanguigni e linfatici e del cuore.



PoliAmmidi (PA)• Anche le PoliAmmidi sono adoperate con successo

come biomateriali e fra queste si ricordano– Nylon– Kevlar

• Le molecole di alcuni polimeri termoplastici possono essere così rigide da comportarsi come aste rigide anche per temperature superiori a quella di rammollimento.

• Questi ultimi sono talvolta denominati polimeri liquido-cristallini. Un esempio sono le Poliammidi aromatiche o Poliaramidi, quali il Kevlar, che possono fornire fibre con elevatissime proprietà meccaniche.



PoliEsteri e PoliAmmidi• Un settore applicativo molto importante è quello delle

suture, dove sono previsti due tipi principali di comportamento:– il primo è quello mostrato dalle suture bioassorbibili [1], che

vengono degradate e eliminate nel tempo e che sono realizzate con poliesteri alifatici;

– il secondo è quello mostrato dalle suture non bioassorbibili in genere realizzate in Dacron o Nylon.

[1] Il bioassorbimento è il processo di dissoluzione o di rimozione, dovuto ad attività cellulare, di un materiale inserito in un ambiente biologico.



PoliEsteri e PoliAmmidi• In ortopedia sono impiegati tessuti o fibre di Dacron o di Kevlar, in

alcuni casi impregnati con altre sostanza quali ad esempio gomme siliconiche, per la sostituzione di tendini e legamenti.

• Nel caso dei poliesteri e dei poliammidi, le catene polimeriche si deformano con maggiore difficoltà. Inoltre i legami tra le catene sono più forti.

• Questi polimeri hanno generalmente superiore resistenza a rottura, superiore rigidezza, caratteristiche che li fanno spesso accomunare in un’unica categoria detta dei tecnopolimeri proprio per la possibilità di richiedere a questi materiali proprietà di considerevole contenuto tecnologico.



PoliEtilene (PE)• Il PoliEtilene è prodotto in diversi tipi che sono conosciuti come:

– low-density (LDPE),– linear low-density (LLDPE),– high-density (HDPE).

• La differenza riguarda il grado di cristallinità.

• Le tipiche applicazioni biomediche di LDPE e di LLDPE sono la fabbricazione di:– pellicole,– contenitori,– tubi.

• Nei casi in cui sono necessarie più elevate prestazioni meccaniche e buona stabilità chimica si usa lo HDPE.



PoliEtilene (PE)• Negli impianti ortopedici è impiegato un HDPE con un

elevatissimo peso molecolare e comunemente noto come ultrahigh-molecular-weight PE (UHMWPE).

• Lo UHMWPE ha:– ottime proprietà antiattrito,– eccezionale resistenza alle forze impulsive,– buona resistenza alla fatica meccanica,– buona biocompatibilità.

• Per contro ha:– elevata deformabilità viscosa,– cattivo comportamento all’usura (soprattutto in relazione al suo

impiego nei giunti articolari in ortopedia),– una modesta stabilità all’ossidazione.



PoliEtilene (PE)• Attualmente la quasi totalità delle protesi articolari

impiega UHMWPE per fabbricare uno dei due componenti del giunto articolare:– il cotile [1] nel caso delle protesi d’anca,– il piatto tibiale nel caso del ginocchio.

• Lo LDPE ha caratteristiche meccaniche inferiori rispetto allo HDPE:– densità di massa,– rigidezza elastica,– resistenza alla rottura.

[1] Il cotile è la cavità articolare dell’ileo in cui si inserisce la testa del femore.



PoliSilossani (PS)

• I PoliSilossani hanno eccellenti proprietà chimico-fisiche, di biocompatibilità e di affidabilità nel tempo in ambiente biologico. Comprendono materiali quali elastomeri, gel, fluidi, lubrificanti, antischiumanti, adesivi, etc. Sono chimicamente stabili e non reagiscono con altri materiali o sostanza inclusi farmaci e tessuti o fluidi biologici.

• Fra i maggiori impieghi dei PoliSilossani (il più comune dei quali è il SILASTIC che è un elastomero biomedico) c’è sicuramente quello per la fabbricazione di cateteri e di tubi in genere sia per condurre fluidi biologici (incluso il sangue), sia per condurre altre sostanze fluide all’interno dell’organismo. Sia gli elastomeri che i gel in polisilossano sono usati in chirurgia plastica come riempitivi per ricostruire tessuti mancanti (l’uso più noto è quello della ricostruzione della mammella).



PoliTetraFluorEtilene (PTFE)

• Il PoliTetraFluoretilene, noto con il nome commerciale di Teflon, èconsiderato un materiale dalla buona biocompatibilità grazie alla sua elevata inerzia chimica che lo rende stabile nel tempo. È un polimero termoplastico ed è altamente cristallino; la sua resistenza meccanica non è molto maggiore di quella 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.



I PoliUretani (PU)

Un poliuretano può essere rigido, elastico, adesivo, schiumoso, etc.In genere per le applicazioni biomediche si usano poliuretani che

hanno proprietà di elastomeri. Fra questi i più usati sono quelli noti con i nomi commericiali di Biomer, Pellethane, Corethane, Cardithane e Tecoflex. Questi poliuretani hanno ottime proprietà di emocompatibilità e trovano quindi applicazione in campo cardiovascolare. In particolare si usano per realizzare le superfici interne delle camere di pompaggio dei cuori artificiali e dei ventricoli di assistenza cardiocircolatoria, inclusi i diaframmi mobili sia ad azionamento pneumatico che meccanico. Sono state anche realizzate in poliuretano protesi vascolari di piccolo calibrocon buone caratteristiche di emocompatibilità e con un’elastictàradiale simile a quella delle arterie naturali. I poliuretani sono stati anche impiegati nella fabbricazione di protesi valvolari cardiache biomorfe, cioè di forma simile a quella delle valvole naturali.



PoliMetilMetAcrilato (PMMA)

Il PoliMetilMetAcrilato, commercialmente noto come Plexiglas o Perspex, è noto per le sue eccezionali proprietà di trasparenza alla luce visibile e per la sua biocompatibilità. È molti 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 (si veda §VII.? –BioStrutture artificiali



Proprietà meccaniche di alcuni polimeri comuni

13602.8 ÷ 4.150 ÷ 30055 ÷ 72PoliEstere (PET)

11402.8 ÷ 3.460 ÷ 30076 ÷ 83PoliAmmide (PA)

21700.41 ÷0.55

100 ÷ 40014 ÷ 48PoliTetraFluorEtilene(Teflon, Gore-Tex) (PTFE)

12202.4 ÷ 3.12 ÷ 541 ÷ 82 PoliMetilMetAcrilato(Plexiglas o Perspex) (PMMA)

9600.4 ÷ 1.215 ÷ 13021 ÷ 38 alta densità

9200.1 ÷ 0.2850 ÷ 8008 ÷ 21 bassa densità

PoliEtilene (PE)

Densità di massa [Kg/m3]

Modulo di elasticità [GPa]

Allungamento specifico a rottura [%]

Resistenza a rottura [MPa]

Polimero



I materiali metallici• trovano larghissimo uso come materiali da costruzione di 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. Ciò dipende dalle loro elevate proprietà meccaniche che rendono possibile la realizzazione di protesi in grado di sopportare carichi elevati con piccole sezioni.

• In generale, i materiali metallici trovano applicazioni come biomateriali grazie ai seguenti principali motivi:

• hanno un 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;

• hanno una buona duttilità e quando lo sforzo 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;

• hanno un’elevata resistenza alla fatica meccanica e quindi sono indicati per quelle applicazioni per le quali si prevedono cicli di carico;



I materiali metallicipossono essere lavorati utilizzando gran parte delle tecnologie tradizionali

e spesso le loro proprietà meccaniche possono essere modificate opportunamente prima che il pezzo in lavorazione raggiunga la forma finale;

• se si cura con attenzione la tecnologia di fabbricazione, soprattutto per quanto riguarda la finitura superficiale, i dispositivi metallici, opportunamente scelti, hanno un’ottima biocompatibiltà.

• La biocompatibiltà è connessa, nel caso dei metalli, al problema della corrosione in ambiente biologico. Infatti all’interno dell’organismo i fluidi biologici hanno un elevato potere corrosivo nei confronti dei metalli. le conseguenze della corrosione sono la perdita di materiale metallico da parte dell’impianto con possibilità di perdita di funzionalità dell’impianto stesso e la contaminazione metallica dei tessuti con effetti non desiderati e dannosi.

• Gran parte di questi problemi, comunque controllabili, sono relativi ai dispositivi impiantati, mentre per i dispositivi non impiantati, come nel caso dei ferri chirurgici, i metalli presentano inconvenienti minori e sono i materiali più impiegati laddove sono richieste proprietà meccaniche elevate ed affidabilità nel tempo.



Materiali metallici da impianto• Acciai inossidabili

– austenitici• dispositivi impiantabili • protesi articolari• mezzi di osteosintesi

– martensitico• 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 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.



I tipi di acciaio inossidabile

sono:

• austenitico, che 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, che contenendo poco Nickel, nel raffreddarsi dissocia la fase austenitica in Fero e Carbonio.

• martensitico, 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. Ma 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.



Proprietà meccaniche degli Acciai inossidabili per impiantit temprato, f forgiato, lf lavorato a freddo, g in getto

72 t 64 lf

37 fc15 lf

480 g40 t55 fc28 lf12 ff

Allungamento a rottura [%]

834 t 1035 lf

930 fc1300 lf

480 g480 t550 fc655 lf

1300 ff

Sforzo a rottura [MPa]

479 t 928 lf

785 fc1175 lf

205 g170 t 250 fc310 lf

1200 ff

Sforzo per 0.2% di deformazione plastica [MPa]

∼193∼ 193∼193193 Modulo di Young[GPa]

7.9Densità di massa [g/cm3]

Ortron 9022-13-5F745F55, F138 (AISI 316L)

Proprietà



Le leghe di Cobalto

appartengono a due categorie:

• le leghe Co-Cr-Mo che sono solitamente impiegate per ottenere pezzi per fusione, e• le leghe Co-Cr-Ni-Mo che sono solitamente utilizzate per forgiatura a caldo.

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.

• La lega Co-Cr-Ni-Mo ha ottime proprietà anticorrosive anche sotto sforzo, incrudisce molto se lavorato a freddo e quindi è necessario forgiarla a caldo per ottenere le necessarie deformazioni per la produzione di impianti.

• Le caratteristiche di usura delle leghe Co-Cr-Mo e Co-Cr-Ni-Mo sono simili, ma quest’ultima mostra superiori coefficienti di attrito sia in accoppiamenti con séstesso sia con altri materiali. la lega Co-Cr-Ni-Mo ha superiori proprietà di resistenza alla fatica meccanica.

Le norme ASTM raccomandano quattro tipi diversi di leghe di Cobalto per applicazioni in dispositivi impiantabili. Le proprietà meccaniche di tali leghe sono riportate nella Tabella seguente.



Proprietà meccaniche delle leghe di Cobalto per impianti(t temprato, f forgiato, lf lavorato a freddo, g in getto)

50 t8 lf

50 t18lf

30 t8 g28 g

Allungamento a rottura [%]

795 t1790 lf

600 t827 lf

860 t65 g1400 f

Sforzo a rottura [MPa]

240 t1585 lf

276310 t450 g890 f

Sforzo per 0.2% di deformazione plastica [MPa]

195195210195Modulo di Young [GPa]

7.8 f9.15 lf

Densità di massa [g/cm3]

F562F563F90F75Proprietà



Il Titanio e le sue leghe

• Il Titanio puro (>99% in peso) è piuttosto tenace e la sua resistenza meccanica e duttilità possono essere variate sensibilmente con il contenuto in ossigeno.

• Il Titanio puro di grado 4, che è quello con il maggior tenore di ossigeno, è molto impiegato per rivestimenti superficiali.

• La legaTi6Al4V è la più usata per applicazioni ortopediche anche se i presunti effetti tossici del Vanadio hanno portato allo studio della lega Ti5Al2.5Fe e alla lega con il Niobio come sostituto del Vanadio.

*****

• Il Titanio e le sue leghe hanno una densità di 4.5 g/cm3 che è circa la metà di quella degli altri metalli quali Acciai e leghe di Cobalto.

• Le leghe di Titanio hanno una buona resistenza alla corrosione in fessura, ma vanno soggetti a corrosione per sfregamento e pertanto il loro uso non è indicato negli accoppiamenti articolari.



Proprietà meccaniche del Titanio e delle sue leghe per impiantit temprato, f forgiato

36 t33f,t

1015Allungamento a rottura [%]

963 t985 f,t

860550Sforzo a rottura [MPa]

818 t900 f,t

795485Sforzo per 0.2% di deformazione plastica [MPa]

∼ 193105100Modulo di Young[GPa]

4.5Densità di massa [g/cm3]

Ti5Al2.5FeF136F67Proprietà

Leghe di Titanio (ASTM)Titanio puro (ASTM)Materiale



I materiali ceramici• 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, Feldspati, 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



I vantaggi dei materiali ceramici

nei settori odontoiatrico, ortopedico e cardiovascolare, sono:

• inerzia chimica nei confronti dei fluidi biologici,• alta resistenza alla compressione, • basso coefficiente di attrito, • potenziali

– biocompatibilità– bioattività



Proprietà meccaniche dei materiali ceramici

• La curva sforzo-deformazione caratteristica dei materiali ceramici è di tipo fragile.

• Lo sforzo di rottura per trazione σt è il 5÷10%dello sforzo a rottura per compressione σc.

• Allumina: – E = 380 GPa– σt = 400 MPa– σc = 4000 MPa



Proprietà meccaniche dei materiali ceramici

• Caratteristiche tribologiche dei materiali ceramici migliori rispetto a quelle di altre classi di materiali, in quanto il coefficiente di attrito è estremamente basso.

• A causa delle proprietà meccaniche quali la durezza e la fragilità, spesso i materiali ceramici non sono adeguati per costruire interamente componenti meccanici,

• Possono essere vantaggiosamente impiegati come materiali di rivestimento per conferire particolari proprietà superficiali a manufatti realizzati con altri materiali.



Diagramma sforzo-deformazione per l’Allumina



I biomateriali ceramici

sono i materiali ceramici impiegati per applicazioni biomediche.

Essi sono utilizzati nella realizzazione di dispositivi per la sostituzione funzionale di tessuti duri.

Tipiche applicazioni sono pertanto nei settori:

• 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



I materiali ceramici biomedicisono classificabili, in base alle loro potenziale compatibilità biologica, 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.



L’Allumina • (Ossido di Alluminio, Al2O3) è il materiale ceramico bioinerte per eccellenza in

quanto mostra la maggiore inerzia chimica.

• Le proprietà meccaniche di rigidezza e di durezza rendono l’Allumina adatta per la sostituzione di tessuti duri per applicazioni in ortopedia ed in odontoiatria.

• L’inerzia chimica fa si che l’Allumina– non induca processi biochimici all’interfaccia con i tessuti biologici,– stimoli l’impianto a condurre ad un rimodellamento osseo che favorisca la stabilità meccanica

dell’impianto stesso nel tempo,– favorisca una buona osteointegrazione.

• Il principale problema connesso con l’uso dell’Allumina è la sua fragilità in quanto forze impulsive possono produrre la rottura del materiale.

• Nonostante l’ottima levigatezza superficiale ottenibile, può accadere che le superfici articolari realizzate in Allumina si usurino rapidamente per distacco dei granise si innesca in qualche punto un processo di usura.



Proprietà meccaniche dell’Allumina

380380Modulo di Young[GPa]

> 450> 400Resistenza alla flessione [MPa]

40004000Resistenza alla compressione [MPa]

> 3.98> 3.9Densità [g/cm3]

Frialitbioceramic

ISO 6474ASTM F603-83

Proprietà



I materiali ceramici bioattivifavoriscono:

• 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

– BioCeramiche (Idrossiapatite).– 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. Essendo quest’ultima classe costituita di per sé da ceramici bioinerti resi attivi dalla presenza di altre sostanze, non verrà trattata nel seguito.

[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 avendo

caratteristiche chimico-strutturali molto simili a quelle della componente minerale dell’osso e del dente.

• È impiegata come osso artificiale.

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

• L’Idrossiapatite ha un elevato modulo elastico (40÷117 GPa) in confronto con i tessuti biologici duri, in quanto questi ultimi contengono anche altre sostanza, 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 rapporto di Poisson del’Idrossiapatite (0.27) è molto simile a quello dell’osso(≅0.3).



L’Idrossiapatitepossiede 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 ha 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.



Proprietà meccaniche dell’Idrossiapatite

3.16Densità [g/cm3]

0.27Rapporto di Poisson

147Resistenza alla flessione [MPa]

294Resistenza alla compressione [MPa]

40 ÷ 117Modulo di Young [GPa]



I BioVetripossiedono eccellenti proprietà meccaniche e termiche e sono noti con i nomi

commerciali di Bioglass e Cervital.

• Il coefficiente di dilatazione termica è circa 10-7÷10-5 °C-1 (in alcuni casi può essere anche negativo),

• la resistenza a trazione è di circa 100÷200 MPa,• la resistenza all’abrasione è paragonabile a quella dello Zaffìro,• la fragilità è elevata.

• Il BioVetro non si presta come materiale per fabbricare componenti ai quali sono richieste elevate prestazioni, 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.



Il Carbonio turbostratoè• un materiale isotropo a causa dell’orientamento casuale e delle piccole dimensioni dei cristallini,• molto resistente e poco rigido,• in grado di assorbire elasticamente molta energia prima di rompersi,• molto resistente alla fatica meccanica. Infatti, il numero di cicli necessario per rompere questo

materiale è di alcuni ordini di grandezza superiore a quello necessario per rompere altri tipi di materiale, a parità di sollecitazione.

Nelle applicazioni biomediche sono impiegati principalmente tre tipi di Carbonio turbostrato:• il Carbonio pirolitico o LTI (low temperature isotropic) carbon (protesi valvolari cardiache)• il Carbonio in film sottile o ULTI (ultra low temperature isotropic) carbon

– ricoprimenti– anelli di supporto metallici– anelli di sutura in fibra polimerica di valvole cardiache– protesi vascolari– cateteri

• il Glassy carbon (pezzi di forma complessa).

Questi tre tipi di materiali si differenziano, oltre che per la microstruttura, per il processo di produzione che è il principale limite applicativo del Carbonio turbostrato.



Il Carbonio piroliticoè stato il primo Carbonio ad essere adoperato per la produzione di protesi valvolari

cardiache, applicazione nella quale sono state apprezzate le sue eccellenti proprietà meccaniche e di biocompatibilità.

La tecnologia di deposizione permette di ottenere un pezzo di Grafite ricoperto da un deposito di carbonio pirolitico spesso meno di 1 mm. La presenza all’interno del deposito di carbonio pirolitico di Carburi molto duri, aumenta le proprietàmeccaniche del deposito stesso, in particolare la durezza e la resistenza all’usura.

I principali limiti di questa tecnologia sono:• la necessità che il bersaglio, dalla cui forma dipende la forma del pezzo finito, sia realizzato in

Grafite. in quanto essa ha lo stesso coefficiente di dilatazione termica del Carbonio pirolitico,• la difficoltà di ricoprire forme complesse o con pronunciate concavità, in quanto alcune zone della

superficie possono rimanere sempre in ombra rispetto al letto fluido di atomi di Carbonio;• le dimensioni massime del bersaglio sono di pochi centimetri, mentre le dimensioni minime sono

quelle compatibili con la tecnologia di produzione del bersaglio in Grafite e occorre prevedere che anche tali particolari siano comunque rivestiti con uno spessore tale per cui le dimensioni minime dei particolari del pezzo finito non possono essere piccole a piacere.

Un componente meccanico rivestito in Carbonio pirolitico ha proprietà meccaniche inferiori a quelle del Carbonio pirolitico, in quanto, sotto lo spessore del deposito (in genere 250÷350 µm), c’è la Grafite che ha modeste proprietà meccaniche. Sono però eccellenti le proprietà di superficie, specialmente dopo la lucidatura a specchio.



Il carbonio piroliticoha mostrato nell’uso clinico eccellenti proprietà di compatibilità in contatto con il

sangue.

Esso

• ha una elevatissima inerzia chimica e quindi sono inibite le reazioni che possono indurre risposte biologiche indesiderate;

• a contatto con il sangue sulla superficie del carbonio pirolitico si crea uno strato di adsorbimento di proteine senza che avvenga la modificazione della loro struttura molecolare che costituisce il primo stadio della cascata di reazioni che conducono alla coagulazione del sangue.

• Tale strato proteico costituisce una sottilissima pellicola superficiale elettronegativa che inibisce la formazione di aggregati piastrinici.

• Questi infatti, insieme alla lucidatura a specchio, rendono le superfici in Carbonio pirolitico le migliori oggi conosciute, fra quelle di origine artificiale, per il contatto con il sangue.



ULTI carbon• Le eccellenti proprietà di biocompatibilità, soprattutto di

emocompatibilità, mostrate dal carbonio pirolitico non possono essere sfruttate al meglio in quanto la tecnologia di deposizione su Grafite limita fortemente le sue applicazioni.

• Sono stati allora sviluppati dei processi tecnologici che consentono di depositare un Carbonio turbostrato in film sottile, di spessore dell’ordine del micron (1 µm), su supporti quali polimeri e metalli; ciò non altera le caratteristiche morfologiche della superficie del pezzoné modifica la flessibilità del pezzo irrigidendolo. Ad esempio, fibre polimeriche rivestite con film sottile mantengono inalterate le loro proprietà meccaniche.

• Inoltre, il rivestimento, anche a seguito di ripetute macroscopiche flessioni del substrato polimerico, rimane in genere aderente senza mettere a nudo la superficie del materiale sottostante.



Glassy carbon• è un materiale poco usato in applicazioni biomediche in

quanto ha proprietà peggiori rispetto a quelle del Carbonio pirolitico.

• Però offre dei vantaggi dal punto di vista tecnologico in quanto è possibile produrre facilmente pezzi di forma anche complessa interamente in Glassy carboncontrariamente a quanto avviene per il carbonio piroliticoe per l’ULTI carbon, i quali possono essere impiegati solo come materiali di ricoprimento.

• Il limite principale di questa tecnologia è lo spessore dei pezzi ottenibili, che non è consigliabile superi i 6 mm.



Conclusioni• Attualmente i Carboni turbostrato maggiormente impiegati per applicazioni

biomediche sono il Carbonio pirolitico con aggiunta di Silicio e lo ULTI carbon.

• Il Carbonio pirolitico è usato per fabbricare la quasi totalità delle protesi valvolaricardiache meccaniche grazie alle sue proprietà di resistenza alla fatica meccanica e soprattutto per la sua eccellente emocompatibilità.

• A seguito degli eccellenti risultati clinici ottenuti con le protesi valvolari e dopo la messa a punto della tecnologia per la deposizione del Carbonio turbostrato in film sottile è iniziata un’ampia utilizzazione di quest’ultimo materiale per aumentare l’emocompatibilità, in alcuni casi la biocompatibilità più in generale, di svariati dispositivi biomedici realizzati con materiali metallici o polimerici. Fra questi si ricordano

– anelli di supporto metallici– anelli di sutura in fibra polimerica di valvole cardiache,– protesi vascolari,– cateteri.

• Applicazioni nel campo delle protesi articolari usate in chirurgia ortopedica non hanno dati i risultati sperati.



Proprietà meccaniche dei Carboni turbostrato

9.92.7 ÷ 5.55.50.6 ÷ 1.4Energia di deformazione a rottura [MJ/m3]

2.0 ÷ 5.01.6 ÷ 2.12.00.8 ÷ 1.3Allungamento a rottura [%]

14 ÷ 2117 ÷ 2828 ÷ 4121 ÷ 34Modulo di Young [GPa]

345 ÷ 690275 ÷ 550550 ÷ 62070 ÷ 207Sforzo a rottura per flessione [MPa]

1.5 ÷ 2.21.7 ÷ 2.22.04 ÷ 2.131.4 ÷ 1.6Densità [g/cm3]

ULTI carbonCarbonio pirolitico

Carbonio pirolitico

+ Si (5 ÷ 12%)

Glassy carbonProprietà

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