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Diapositiva 1 - dmfci - Università degli Studi di Catania

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<strong>Università</strong> Universit<br />

Facoltà Facolt<br />

<strong>degli</strong> <strong>Stu<strong>di</strong></strong> <strong>di</strong> <strong>Catania</strong><br />

<strong>di</strong> Ingegneria<br />

DIPARTIMENTO DI METODOLOGIE FISICHE E CHIMICHE<br />

PER L’INGEGNERIA<br />

L INGEGNERIA<br />

Corso <strong>di</strong> tecnologie <strong>di</strong> chimica applicata<br />

I BIOMATERIALI<br />

Professore: Siracusa Giuseppe<br />

Studenti: Miraglia<br />

Andrea<br />

Rollo Giovanni


Sin dai tempi più<br />

remoti, la necessità<br />

ha indotto il me<strong>di</strong>co<br />

ad utilizzare i<br />

materiali più<br />

Cenni storici<br />

<strong>di</strong>sparati<br />

Mummia egiziana <strong>di</strong> 3000 anni fa: alluce in<br />

legno


L’uso dei metalli è<br />

molto più<br />

Cenni storici<br />

recente


Prima:<br />

Cenni storici<br />

il me<strong>di</strong>co utilizzava per le<br />

protesi i materiali che l’industria, mano<br />

a mano, rendeva <strong>di</strong>sponibili<br />

Dopo:<br />

la crescente domanda per le<br />

<strong>di</strong>verse applicazioni me<strong>di</strong>cali ha<br />

stimolato la realizzazione <strong>di</strong> materiali<br />

specificatamente progettati


Definizione<br />

Direttiva 93/42/CEE:<br />

<strong>di</strong>rettiva <strong>di</strong>spositivi me<strong>di</strong>ci<br />

“Si definisce BIOMATERIALE un<br />

materiale concepito per interfacciarsi<br />

BIOMATERIALE<br />

con i sistemi biologici per valutare, dare<br />

supporto o sostituire un qualsiasi<br />

tessuto, organo o funzione del corpo<br />

(II International Consensus Conference on<br />

Biomaterials, Chester, Gran Bretagna, 1991).


I BIOMATERIALI<br />

hanno consentito ad<br />

un numero elevatissimo <strong>di</strong> pazienti la<br />

sopravvivenza o la restituzione <strong>di</strong><br />

funzionalità<br />

a parti compromesse<br />

dell'organismo


•La biofunzionalità<br />

proprietà<br />

si riferisce alle<br />

che un <strong>di</strong>spositivo deve<br />

avere per riprodurre una<br />

determinata funzione dal punto <strong>di</strong><br />

vista fisico e meccanico;<br />

•La biocompatibilità<br />

<strong>di</strong> un materiale,<br />

invece, consiste nella caratteristica<br />

<strong>di</strong> stabilire interazioni<br />

sfavorevoli”<br />

“non<br />

con i sistemi viventi<br />

con i quali esso viene in contatto.


•<br />

•<br />

<strong>di</strong>pende:<br />

grado <strong>di</strong> biocompatibilità<br />

proprietà con<strong>di</strong>zioni proprietà dei dell'organismo <strong>di</strong>spositivi materiali impiantati ospite<br />

–<br />

–<br />

<strong>di</strong>mensioni proprietà chimiche<br />

–<br />

–<br />

forma rugosità<br />

–<br />

–<br />

rigi<strong>di</strong>tà energia e carica superficiale<br />

–<br />

–<br />

–<br />

–<br />

–<br />

–<br />

tipo <strong>di</strong> tessuto<br />

luogo <strong>di</strong> impianto<br />

età<br />

sesso<br />

stabilità<br />

proprietà<br />

chimica<br />

con<strong>di</strong>zioni generali <strong>di</strong> salute<br />

regime farmaceutico<br />

qualità<br />

<strong>di</strong> vita<br />

tecnica chirurgica<br />

dei prodotti <strong>di</strong> degradazione


Nessun materiale è del tutto inerte in<br />

ambiente biologico<br />

Ogni materiale impiantato:<br />

•<br />

•<br />

“provoca”<br />

“subisce”<br />

una reazione nell’organismo<br />

l’attacco da parte dell’organismo


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Utilizzi<br />

Dispositivi ortope<strong>di</strong>ci (protesi <strong>di</strong> ginocchio, protesi d’anca,<br />

impianti spinali, sistemi <strong>di</strong> fissaggio osseo);<br />

Impianti car<strong>di</strong>aci (valvole artificiali, pacemakers);<br />

Impianti per tessuti molli (protesi mammarie, collagene<br />

iniettabile);<br />

Impianti dentali (sostituzione <strong>di</strong> denti, ra<strong>di</strong>ci, tessuto<br />

osseo nella cavità orale);<br />

Ferri ed attrezzature chirurgiche;<br />

Costruzione <strong>di</strong> biomacchine;<br />

Dispositivi impiantabili per il rilascio controllato <strong>di</strong> farmaci.


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Funzioni richieste<br />

Trasmissione del carico e <strong>di</strong>stribuzione dello<br />

sforzo<br />

Capacità articolare<br />

Controllo del flusso sanguigno<br />

Riempimento <strong>di</strong> cavità<br />

Generazione ed applicazione <strong>di</strong> stimoli elettrici<br />

Correzione della funzione visiva e u<strong>di</strong>tiva<br />

Distribuzione <strong>di</strong> farmaci o altre sostanze<br />

Rigenerazione guidata dei tessuti


Classificazione dei BIOMATERIALI<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

si sud<strong>di</strong>vidono in base<br />

agli alla interazione effetti natura prodotti chimica materiale/organismo sul si sud<strong>di</strong>vidono materiale in: in: in:<br />

Metallici<br />

Biotossici<br />

Ceramici Biostabili<br />

Bioinerti<br />

Polimerici<br />

Bioattivi Biodegradabili<br />

Compositi<br />

Bioriassorbibili<br />

Di derivazione biologica


I biomateriali<br />

metallici<br />

Trovano largo impiego ed in particolare nella<br />

fabbricazione <strong>di</strong>:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Strumentario chirurgico;<br />

Protesi ortope<strong>di</strong>che e dentali;<br />

Mezzi <strong>di</strong> osteosintesi.


I biomateriali<br />

metallici<br />

Si prestano bene a risolvere i problemi legati alla sostituzione <strong>di</strong><br />

tessuti duri quali ossa e denti con strutture <strong>di</strong> piccole sezioni ma in<br />

grado <strong>di</strong> sopportare carichi elevati


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

I biomateriali<br />

metallici<br />

modulo elastico (E=100÷200 GPa)<br />

elevata resistenza <strong>di</strong> snervamento<br />

(σ=300÷1000 MPa)<br />

buona duttilità<br />

Vantaggi:<br />

elevata resistenza alla fatica meccanica


•<br />

•<br />

•<br />

I biomateriali<br />

metallici<br />

alcuni metalli non sono tollerati in elevate<br />

quantità<br />

finitura superficiale<br />

Difetti:<br />

corrosione in ambiente biologico


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

I biomateriali<br />

Acciai inossidabili<br />

Leghe <strong>di</strong> Cobalto<br />

Leghe del Mercurio<br />

Oro e le sue leghe<br />

Materiali metallici usati in casi particolari<br />

• Titanio e le sue leghe<br />

Classificazione:<br />

metallici


•<br />

•<br />

•<br />

austenitici<br />

ferritici<br />

martensitici<br />

Acciai inossidabili<br />

sono leghe a base <strong>di</strong> Ferro con un basso contenuto<br />

<strong>di</strong> Carbonio ed un alto contenuto <strong>di</strong> Cromo<br />

Si <strong>di</strong>vidono in:<br />

Dispositivi impiantabili<br />

Strumenti chirurgici


•<br />

•<br />

Leghe <strong>di</strong> Cobalto<br />

le leghe sono state <strong>di</strong> Cobalto usate contengono per decenni alto per tenore protesi <strong>di</strong> dentali Cromo e, e più si<br />

recentemente, <strong>di</strong>vidono in:<br />

per protesi sottoposte a carichi elevati, come<br />

quelle del ginocchio e dell’anca<br />

lega cobalto/cromo/molibdeno<br />

<strong>di</strong> colata/fusione<br />

lega cobalto/nickel/cromo/molibdeno<br />

per forgiatura<br />

lavorata con meto<strong>di</strong><br />

lavorata


•<br />

•<br />

•<br />

Leghe <strong>di</strong> Cobalto<br />

Vantaggi:<br />

eccellente resistenza alla corrosione<br />

aumento della resistenza con lavorazioni a freddo<br />

In particolare la lega che contiene circa il 35% sia <strong>di</strong> cobalto<br />

che <strong>di</strong> nickel presenta grande resistenza alla corrosione<br />

salina, anche sotto sforzo<br />

resistenza alla fatica per le leghe forgiate a caldo


•<br />

•<br />

Leghe <strong>di</strong> Cobalto<br />

Svantaggi:<br />

scarso potere <strong>di</strong> scorrimento<br />

<strong>di</strong>fficoltà nel produrre con tecniche a<br />

freddo impianti <strong>di</strong> <strong>di</strong>mensioni notevoli


Leghe del Mercurio<br />

Il mercurio, che è liquido a temperatura ambiente,<br />

può reagire con altri metalli come l’argento formando<br />

una massa plastica che indurisce progressivamente<br />

con il passare del tempo<br />

AMALGAMA


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Leghe del Mercurio<br />

ottimo sigillo marginale<br />

facilità<br />

<strong>di</strong> utilizzo<br />

lunga durata<br />

Pregi:<br />

lunga esperienza clinica<br />

• basso costo del restauro finale


•<br />

•<br />

•<br />

Leghe del Mercurio<br />

il colore non si mimetizza con il dente<br />

la necessità<br />

cavità<br />

Difetti:<br />

la potenziale tossicità<br />

presenza <strong>di</strong> mercurio<br />

<strong>di</strong> eseguire preparazioni <strong>di</strong><br />

dovuta alla


•<br />

•<br />

il malleting<br />

la colata<br />

Oro e le sue leghe<br />

Vengono impiegate due tecniche <strong>di</strong> lavorazione:<br />

Si utilizzano leghe d’oro <strong>di</strong> varia<br />

composizione Si usano con dei almeno sottili il fogli 75% d’oro puro. in<br />

combinazione con:<br />

Necessita <strong>di</strong> un contatto intimo dei fogli<br />

•Rame e <strong>di</strong> evitare contaminazioni.<br />

•Platino<br />

•Argento<br />

•Zinco<br />

Per ottenere le leghe morbide si deve<br />

utilizzare almeno l’85% d’oro.


Materiali metallici usati in casi particolari<br />

Vantaggi:<br />

•<br />

elevata biocompatibilità<br />

Difetti:<br />

•<br />

•<br />

Tantalio<br />

scarse proprietà meccaniche<br />

elevata densità (16,6 g/cm3 )<br />

Utilizzi:<br />

• fili <strong>di</strong> sutura


Materiali metallici usati in casi particolari<br />

Vantaggi:<br />

•<br />

resistenza alla corrosione<br />

Difetti:<br />

•<br />

scadenti proprietà<br />

meccaniche<br />

Platino<br />

Utilizzi:<br />

• sotto forma<br />

<strong>di</strong> leghe per<br />

fabbricare<br />

elettro<strong>di</strong>


IL TITANIO E LE SUE LEGHE<br />

IL TITANIO PURO<br />

Reticolo hcp<br />

T T = 882°C<br />

Reticolo bcc<br />

Elementi <strong>di</strong>ssolti in lega:<br />

• stabilizzatori α<br />

• stabilizzatori β<br />

Classificazione:<br />

-<br />

-<br />

-<br />

leghe α<br />

leghe β<br />

leghe (α<br />

– β)


•<br />

•<br />

•<br />

Leghe α: stabilità reticolare dovuta a<br />

schermatura elettronica<br />

Leghe β: stabilità dovuta alla densità <strong>di</strong><br />

elettroni <strong>di</strong> conduzione.<br />

Leghe α-β: all’equilibrio, a temperatura<br />

ambiente, supportano un misto <strong>di</strong> fase α<br />

<strong>di</strong> fase β.<br />

Ti 6Al 4V<br />

Buona<br />

fabbricabilità<br />

Le proprietà<br />

Elevata resistenza a<br />

temperatura<br />

ambiente<br />

Moderata<br />

resistenza ad alte<br />

temperature<br />

variano in base al trattamento termico, usato per<br />

sistemare gli stati microstrutturali<br />

e


IL Ti 6Al 4V: microstruttura<br />

Le frazioni <strong>di</strong> volume <strong>di</strong> fase α e<br />

β <strong>di</strong>pendno dai trattamenti termici<br />

e dai contenuti interstiziali (O2) Ti 6Al 4V = 90% Ti; 6% Al; 4% V<br />

Caratteristiche Microstruttura: tecnologiche:<br />

• carico LAMELLARE <strong>di</strong> rottura (raffreddamento e snervamentolento<br />

ad aria, tempra)<br />

• duttilità EQUIASSICA (lavorazioni meccaniche estensive seguite da<br />

•ricottura) tenacità<br />

• resistenza BIMODALE a (ricottura fatica ad alto seguita numero da tempra <strong>di</strong> ciclie<br />

invecchiamento)<br />

• resistenza a fatica oligociclica


IL Ti 6Al 4V: microstruttura<br />

CARATTERISTICHE MICROSTRUTTURALI:<br />

1.<br />

2.<br />

3.<br />

4.<br />

<strong>di</strong>mensione del grano<br />

fase α<br />

α-plate<br />

a bordo <strong>di</strong> grano<br />

colonies<br />

Presenza <strong>di</strong> <strong>di</strong>fetti quali porosità e ritiri


RELAZIONE TRA MORFOLOGIA DELLA<br />

STRUTTURA E PROPRIETA’<br />

Struttura equiassico Struttura aciculare<br />

Duttilità ↑ ↓<br />

Formabilità ↑ ↓<br />

Livello <strong>di</strong> soglia nel fenomeno <strong>di</strong><br />

stress corrosion in sali cal<strong>di</strong><br />

Carico <strong>di</strong> rottura (a parità <strong>di</strong><br />

trattamento)<br />

↑ ↓<br />

↑ ↓<br />

Tolleranza all' H ↑ ↓<br />

Resistenza a fatica oligociclica ↑ ↓<br />

Resistenza a creep ↓ ↑<br />

Resistenza a fatica ad alto<br />

numero <strong>di</strong> cicli<br />

↓ ↑


1.<br />

Grano equiassico Grano aciculare<br />

Carico <strong>di</strong> snervamento (Mpa) 910 875<br />

K IC<br />

MPa(m) 0,5 44 - 66 88 - 110<br />

INCREMENTO DELLA TENACITA’:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Struttura trasformata lamellare<br />

Struttura equiassica<br />

con fase α<br />

ricristallizzata<br />

Rinvenimento dopo saldatura (valido per giunti saldati)<br />

Trattamento <strong>di</strong> <strong>di</strong>stensione<br />

dopo saldatura<br />

ZF<br />

MPa(m) 0,5<br />

ZTA<br />

MPa(m) 0,5<br />

MB<br />

MPa(m) 0,5<br />

2 h a 590°C, raffredd. aria 87 81 92<br />

2 h a 650°C, raffredd. aria 85 77 92<br />

2 h a 760°C, raffredd. aria - 76 92


2.<br />

DIMENSIONE DEL GRANO β


3.<br />

VELOCITA’ DI RAFFREDDAMENTO


4.<br />

EFFETTO DELLA COMPOSIZIONE CHIMICA<br />

Variazione <strong>degli</strong> elementi interstiziali:<br />

H, O, C, N<br />

Infragilimento<br />

della matrice in termini <strong>di</strong> duttilità<br />

tenacità<br />

e


PROCESSO DI FORGIATURA<br />

Due approcci:<br />

1.<br />

2.<br />

Al <strong>di</strong> sotto del β-transus<br />

Al <strong>di</strong> sopra del β-transus<br />

Vantaggi: miglior lavorabilità e minor suscettibilità<br />

alla criccatura<br />

Svantaggi: T −28°<br />

C β - <strong>di</strong>suniformità <strong>di</strong> deformazione<br />

T<br />

T + 42°<br />

C<br />

β=<br />

995°C<br />

β - strutture non ottimali<br />

- eccessivo ingrossamento del grano


Lega <strong>di</strong> titanio più<br />

Ti 6Al 4V<br />

utilizzata al mondo<br />

Materiale vantaggioso per impianti protesici:<br />

1.<br />

2.<br />

3.<br />

4.<br />

5.<br />

Basso modulo elastico<br />

Buona resistenza a trazione e<br />

compressione<br />

Buona resistenza a fatica<br />

Ottima biocompatibilità<br />

Buona resistenza alla corrosione<br />

•<br />

•<br />

Aerospaziale<br />

Me<strong>di</strong>cale<br />

Industrie chimiche, marine e dell'autoveicolo<br />

ANNEAL CONDITION<br />

STA (solution<br />

treated, quenched<br />

and aged)


•<br />

•<br />

Stabilità<br />

Stabilità<br />

1.<br />

2.<br />

Finitura superficiale<br />

primaria<br />

secondaria<br />

Sabbiatura<br />

Plasma spray


•<br />

Lega Ni<br />

IL NITINOL<br />

(55%) e Ti<br />

CARATTERISTICHE MECCANICHE<br />

LEGA SMA<br />

SUPERELASTICITA’<br />

BUONE PROPRIETA’<br />

MECCANICHE ED ELETTRICHE<br />

NOTEVOLE RESISTENZA A FATICA E A CORROSIONE<br />

OTTIMA BIOCOMPATIBILITA’


Cos’è<br />

la l’effetto superelasticità?<br />

memoria?


•<br />

•<br />

SVANTAGGI:<br />

Meccanismi <strong>di</strong> recupero della<br />

A una via (OWMSE)<br />

A due vie (TWMSE)<br />

forma<br />

•DEFORMAZIONE RECUPERABILE SOLO AL 2%<br />

•RIDOTTA ENTITA’<br />

•LA MEMORIA PUO’<br />

DELLE FORZE PRODOTTE<br />

VENIR MENO CON UN SOVRARISCALDAMENTO<br />

•NON SONO PREVEDIBILI FATICA E STABILITA’<br />

A LUNGO TERMINE<br />

•E’ SEMPRE PRESENTE ISTERESI TRA RISCALDAMENTO E<br />

RAFFREDDAMENTO


Applicazioni: il filtro in NITINOL<br />

(Simon Nitinol<br />

Filter)


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Applicazioni<br />

Apparecchiatura me<strong>di</strong>ca;<br />

filtri anticoagulo per circolazione sanguigna;<br />

perni per fratture ossee;<br />

raddrizzatori delle ossa;<br />

attrezzi <strong>di</strong> allenamento per le articolazioni;<br />

Applicazioni della superelasticità: ad esempio<br />

per montature <strong>di</strong> occhiali, fili sottili per impieghi<br />

me<strong>di</strong>ci, fili e molle per usi ortodontici; la capacità<br />

del materiale <strong>di</strong> sviluppare una forza leggera e<br />

costante è sfruttata per chiudere gli spazi<br />

interdentali negli apparecchi dentali.


I MATERIALI BIOCERAMICI<br />

Da un punto <strong>di</strong> vista<br />

quantitativo<br />

• buona resistenza meccanica<br />

• elevata durezza<br />

• ottime proprietà tribologiche<br />

• bassissima conducibilità termica


I MATERIALI BIOCERAMICI<br />

La durezza è una misura che in<strong>di</strong>ca il<br />

grado <strong>di</strong> resistenza del materiale ad<br />

essere scalfito<br />

Possono essere sud<strong>di</strong>visi in 3 categorie:<br />

1.<br />

2.<br />

3.<br />

BIOINERTI<br />

RIASSORBIBILI<br />

BIOATTIVI


Impieghi in campo biomeccanico<br />

• Protesi articolari<br />

• Mezzi <strong>di</strong> osteosintesi<br />

Applicazioni:<br />

1.<br />

2.<br />

3.<br />

4.<br />

Ortope<strong>di</strong>a<br />

Odontoiatria<br />

Otorinolaringoiatria<br />

Settore car<strong>di</strong>ovascolare<br />

Idrossiapatite HA, β-fosfato tricalcico (TCP), biovetri e vetroceramiche bioattive,<br />

allumina e zirconia.


•<br />

•<br />

•<br />

Applicazioni:<br />

–<br />

L’ALLUMINA Al 2<br />

O 3<br />

Industria biomeccanica, della carta, delle<br />

vernici, <strong>degli</strong> adesivi, della gomma, dei<br />

prodotti farmaceutici, dei componenti<br />

elettronici, ecc.<br />

Buone proprietà<br />

Buone proprietà<br />

meccaniche<br />

elettriche


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

TIPOLOGIE IN COMMERCIO<br />

Smelter<br />

Calcined<br />

Low<br />

Reactive<br />

grade<br />

alumina<br />

soda alumina<br />

alumina<br />

Tabular alumina<br />

Fused<br />

High purity<br />

alumina<br />

alumina<br />

alumina<br />

99,9% Al2O3


HIGH PURITY ALUMINA<br />

ASTM:<br />

purezza al 99,5%<br />

SiO 2<br />

CARATTERISTICHE FONDAMENTALI:<br />

Buona stabilità<br />

Non si ossida<br />

Eccellente durezza<br />

termica<br />

Eccellente resistenza all’usura<br />

Ottime proprietà<br />

tribologiche<br />

Resistenza alla corrosione<br />

Buon isolante termico ed elettrico<br />

Eccellente biocompatibilità<br />

& ossi<strong>di</strong> metallici < 0,1%<br />

CARATTERISTICHE PENALIZZANTI:<br />

Resistenza meccanica non elevata<br />

Bassa resistenza agli shock termici


PROPRIETA’<br />

TRIBOLOGICHE<br />

CHEMISORBIMENTO<br />

LUBRIFICAZIONE<br />

ACCOPPIAMENTO<br />

MODELLO A SFERE: Allumina caratterizzata da struttura esagonale <strong>di</strong> particelle <strong>di</strong><br />

ossigeno impacchettate con ioni <strong>di</strong> alluminio posizionati in siti ottaedrici.


PROPRIETA’<br />

P = 5 kN<br />

f = 1Hz<br />

=107 ≈<br />

N cicli<br />

10 anni <strong>di</strong> vita utile<br />

μ = 0.035 ±<br />

TRIBOLOGICHE<br />

Proprietà tribologiche che<br />

migliorano nel tempo<br />

0.005


BAGNABILITA’<br />

E<br />

LUBRIFICAZIONE


L’ULTIMA FRONTIERA<br />

NEL MONDO DELLE<br />

BIOCERAMICHE:<br />

BIOLOX ®<br />

Delta AMC


Principali innovazioni introdotte dalla<br />

CERAMTEC negli ultimi 30 anni<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Sviluppo dell’allumina<br />

Ottimizzazione del processo <strong>di</strong> sinterizzazione e<br />

<strong>di</strong> pressatura isostatica HIPPING<br />

Miglioramento del SGQ<br />

Introduzione dei “proof testing”


BIOLOX DELTA: EVOLUZIONE DELLA BIOLOX<br />

FORTE<br />

In generale le performance <strong>di</strong> un componente ceramico <strong>di</strong>pendono da:<br />

OBIETTIVI RICHIESTE INGEGNERISTICI:<br />

DI MERCATO:<br />

INCREMENTARE ELEVATE PERFORMANCE LA TENACITA’ MECCANICHE<br />

RIDUZIONE ECCELLENTE DEI BIOCOMPATIBILITA’<br />

FALLIMENTI<br />

⎛ σ<br />

PB<br />

INCREMENTARE ASSENZA DI RILASCIO LA ⎜ 4 − DISTRIBUZIONE<br />

IONI ⎟<br />

⎝ σ 0 ⎠<br />

DEGLI SFORZI F E L’AFFIDABILITA’<br />

IPOALLERGENICITA’<br />

4PB<br />

= 1−<br />

e<br />

MANTENERE LA RESISTENZA AD USURA<br />

STABILITA’ CHIMICA<br />

MANTENERE LA STABILITA’ CHIMICA<br />

ELEVATA DUREZZA E MINOR USURA<br />

CREARE NUOVE GEOMETRIE E NUOVI<br />

NUOVE GEOMETRIE E NUOVI PRODOTTI<br />

PRODOTTI<br />

F è<br />

s è<br />

la probabilità<br />

⎞<br />

m<br />

<strong>di</strong> frattura, σ<br />

è<br />

s<br />

la resistenza, m è<br />

la resistenza meccanica, a è la misura del fallimento.<br />

≅<br />

K<br />

1C<br />

a<br />

il modulo <strong>di</strong> Weibull;


2. 1.<br />

2.<br />

CREAZIONE DI UN EFFETTO<br />

TENACIZZANTE<br />

Meccanismo Meccanismo tenacizzante<br />

rinforzante della <strong>di</strong> matrice<br />

trasformazione<br />

Meccanismo rinforzante della matrice


Ceramica Biolox Delta AMC = 75% Allumina, 25% Zirconia<br />

e ad<strong>di</strong>tivi (ossido <strong>di</strong> Cromo)<br />

Dimensione ridotta dei grani 1 μm<br />

Maggior densità<br />

1.<br />

2.<br />

3.<br />

Cristalli allungati<br />

Matrice in Allumina<br />

Particelle Y-TZP


ESPOSIZIONE AD ALTE TEMPRATURE E<br />

PRESSIONI


CARATTERISTICHE MECCANCIHE:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Resistenza a flessione 1150 MPa<br />

Modulo <strong>di</strong> Weibull<br />

13<br />

Modulo <strong>di</strong> Young 350 MPa<br />

Modulo <strong>di</strong> Poisson<br />

Durezza 1975 HV<br />

0.22


•<br />

•<br />

•<br />

Lineari<br />

I biomateriali<br />

Ramificate<br />

Reticolate<br />

polimerici<br />

Sono costituiti da macromolecole si originano dal concatenamento<br />

<strong>di</strong> un gran numero <strong>di</strong> piccole unità, dette monomeri, fino a formare<br />

lunghissime catene che possono essere:


I biomateriali<br />

In base alle loro proprietà<br />

<strong>di</strong>vidono in:<br />

•<br />

•<br />

Termoplastici<br />

Termoindurenti<br />

polimerici<br />

termomeccaniche<br />

Curve sforzo-deformazione per un polimero termoplastico<br />

si


I biomateriali<br />

polimerici<br />

Lo stato fisico <strong>di</strong> un polimero <strong>di</strong>pende :<br />

•<br />

•<br />

dalla struttura della catena:<br />

–<br />

–<br />

–<br />

estesa<br />

ripiegata<br />

a gomitolo<br />

dal tipo <strong>di</strong> interazioni esistenti tra le <strong>di</strong>verse<br />

catene:<br />

– legami ionici<br />

– legami ad idrogeno<br />

– legami <strong>di</strong>polo-<strong>di</strong>polo<br />

– forze <strong>di</strong> Van der Waals<br />

– ecc. polimero amorfo<br />

polimero cristallino<br />

polimero fibroso


I biomateriali<br />

polimerici<br />

Possiedono una buona biocompatibilità<br />

intesa come interazione che promuove<br />

l’accettazione del materiale da parte<br />

dell’organismo.<br />

Talvolta vengono degradati ed eliminati<br />

dall’organismo


I biomateriali<br />

I principali polimeri fibrosi sono:<br />

polimerici<br />

• PoliEsteri<br />

• PoliAmmi<strong>di</strong><br />

• Poliolefine<br />

• PoliTetraFluoretilene<br />

• PoliSilossani<br />

• PoliUretani<br />

• PoliAcrilati<br />

• Polimeri termoplastici ad elevata resistenza<br />

• Polimeri Biodegradabili


•<br />

il<br />

Poliesteri<br />

Quelli maggiormente usati per applicazioni biome<strong>di</strong>che<br />

•<br />

gli<br />

–<br />

–<br />

PoliEtilenTerEftalato<br />

aci<strong>di</strong><br />

poliglicolico<br />

polilattico<br />

(PGA)<br />

(PLA)<br />

(PET)<br />

sono:


Poliesteri: PET<br />

Pregi: viene prodotto da tereftalato<br />

<strong>di</strong> metile e glicole etilenico<br />

fonde a circa 270 °C e può essere facilmente trasformato<br />

per filatura in:<br />

• fibre (Dacron ® o Terylene ® )<br />

• un film molto resistente alla lacerazione (Mylar ® • resistenza<br />

• deformabilità<br />

• biostabilità<br />

• orientamento regolare delle catene<br />

)<br />

Utilizzi: Difetti:<br />

••<br />

protesi <strong>di</strong>fetti strutturali vascolari <strong>di</strong> largo <strong>di</strong>ametro<br />

••<br />

suture tecniche <strong>di</strong> fabbricazione<br />

••<br />

anelli processi valvolari <strong>di</strong> finitura<br />

••<br />

degradazione idrolitica<br />

frammentazione delle fibre con<br />

conseguente <strong>di</strong>latazione<br />

Metanolo<br />

dell’impianto<br />

legamenti legamento Stryker-Dacron


•<br />

•<br />

Poliesteri alifatici<br />

Sono polimeri biodegradabili cioè forniscono prestazioni<br />

ottimali per un periodo <strong>di</strong> tempo programmabile per ottenere e vengono migliori<br />

gradualmente degradati ed eliminati dall’organismo caratteristiche<br />

senza<br />

richiedere interventi chirurgici.<br />

I più importanti sono:<br />

l’acido poliglicolico<br />

l’acido polilattico<br />

(PGA)<br />

(PLA)


Utilizzi:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Poliesteri alifatici<br />

impianti ortope<strong>di</strong>ci<br />

stent<br />

intravascolari<br />

<strong>di</strong>spositivi dentali<br />

sistemi per il rilascio controllato <strong>di</strong><br />

farmaci<br />

supporti temporanei per guidare<br />

la crescita <strong>di</strong> tessuti


Poliammi<strong>di</strong><br />

I maggiori rappresentanti sono:<br />

•<br />

•<br />

Pregi:<br />

Il maggiore esponente è sicuramente il Kevlar che viene<br />

trasformato il Nylonin<br />

fibre con resistenza cinque volte maggiore<br />

dell’acciaio<br />

le ammi<strong>di</strong> aromatiche o Poliarami<strong>di</strong><br />

• grande tendenza a formare fibre grazie ai<br />

legami ad idrogeno<br />

• elevata cristallinità che ne accresce la<br />

resistenza in <strong>di</strong>rezione della fibra<br />

Difetti:<br />

• elevata igroscopicità<br />

• subisce l’attacco <strong>degli</strong> enzimi proteolitici


•<br />

•<br />

Il Polietilene<br />

Il Polipropilene<br />

Poliolefine<br />

Usate in forma compatta o porosa specialmente per le<br />

superfici sottoposte a forti carichi, devono essere prodotte<br />

per sinterizzazione ad alta temperatura e alta pressione<br />

Tra le Poliolefine<br />

troviamo:


Polietilene<br />

Ne esistono tre tipi sulla base del grado <strong>di</strong><br />

cristallinità:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Low-density<br />

(LDPE)<br />

High-density (HDPE)<br />

Ultra-high molecular<br />

weigh<br />

(UHMWPE)<br />

possiede usato cristallinità per produrre e densità pellicole, più elevate contenitori, a causa tubi del migliore<br />

impaccamento delle catene laterali


Polipropilene<br />

Un Si più ottiene elevato per polimerizzazione contenuto • del il grado propilene <strong>di</strong> cristallinità in presenza <strong>di</strong><br />

<strong>di</strong> catalizzatori molecole isotattiche stereoselettivi <strong>di</strong> • la Natta-Ziegler.<br />

densità<br />

Esiste nelle aumenta tre forme:<br />

Caratteristiche:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

atattico<br />

sin<strong>di</strong>otattico<br />

isotattico<br />

• la temperatura <strong>di</strong> rammollimento<br />

• la resistenza chimica<br />

• straor<strong>di</strong>naria resistenza alle flessioni ripetute<br />

• ottima resistenza agli agenti ambientali<br />

• permeabilità<br />

Utilizzi:<br />

ai gas<br />

giunture per protesi delle <strong>di</strong>ta, ecc.


PoliTetraFluoretilene<br />

(PTFE)<br />

Per la produzione <strong>di</strong> impianti, la polvere viene generalmente<br />

sinterizzata Noto con a temperature il nome commerciale al <strong>di</strong> sopra <strong>di</strong> <strong>di</strong>Teflon<br />

327° C, èsotto<br />

stabile pressione<br />

nel<br />

tempo e si ottiene per polimerizzazione ra<strong>di</strong>calica sotto<br />

pressione del tetrafluoroetilene in presenza <strong>di</strong> un<br />

eccesso <strong>di</strong> acqua, che serve a rimuovere il calore che si<br />

sviluppa durante la reazione.<br />

Il PTFE ha eccellenti caratteristiche antiattrito, ma modeste<br />

proprietà meccaniche fra cui un basso limite elastico


PoliTetraFluoretilene<br />

(PTFE)<br />

Un particolare tipo <strong>di</strong> PTFE è quello espanso o microporoso, noto<br />

con il nome commerciale <strong>di</strong> Gore-Tex impiegato per la<br />

fabbricazione <strong>di</strong> protesi vascolari e <strong>di</strong> protesi <strong>di</strong> legamenti<br />

legamento crociato anteriore in Gore-Tex<br />

ten<strong>di</strong>ne artificiale in Gore-Tex II


Polisilossani<br />

Caratteristiche: Sono costituiti da catene lineari a basso peso<br />

molecolare, legate tra loro da legami intercatena a<br />

• chimicamente formare macromolecole stabili reticolate <strong>di</strong> più alto peso<br />

• molecolare non reagiscono e il maggior con altri rappresentante materiali o sostanza è il SILASTIC<br />

• elevata biocompatibilità<br />

che è un elastomero biome<strong>di</strong>co<br />

Utilizzi:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

cateteri<br />

tubi in genere sia per condurre flui<strong>di</strong> biologici (incluso il<br />

sangue), sia per condurre altre sostanze fluide all’interno<br />

dell’organismo<br />

in chirurgia plastica come riempitivi per ricostruire tessuti<br />

mancanti


I più<br />

Poliuretani<br />

Per le applicazioni biome<strong>di</strong>che si usano poliuretani che hanno<br />

proprietà <strong>di</strong> elastomeri, le cosiddette gomme sintetiche<br />

poliuretaniche che si formano con meccanismo <strong>di</strong> condensazione<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Generalmente Tecoflex R1 è un oligomero,<br />

ad esempio un poliestere<br />

R 2<br />

usati sono:<br />

Biomer<br />

Pellethane<br />

Corethane<br />

Car<strong>di</strong>thane<br />

può essere sia un gruppo<br />

alifatico che aromatico<br />

proprietà molto <strong>di</strong>fferenti<br />

in base a R1 e R2<br />

Questi trovano applicazione in campo car<strong>di</strong>ovascolare


I più<br />

•<br />

•<br />

•<br />

importanti Hanno struttura sono: generale:<br />

il polimetilacrilato<br />

Poliacrilati<br />

(PMA), nel quale R1 = H, R2 = CH 3<br />

il polimetilmetacrilato (PMMA), con R1 = R2 = CH 3<br />

il poliidrossimetilmetacrilato (poli-HEMA),con R1 = CH3 R2 = CH2OH Idrogeli impiegati per fabbricare<br />

le lenti a contatto morbide<br />

commercialmente noto come Plexiglas o Perspex


Polimeri termoplastici ad elevata<br />

resistenza<br />

sono stati sviluppati <strong>di</strong> recente e hanno caratteristiche simili a<br />

quelle dei metalli leggeri. I più significativi sono:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

poliacetali<br />

polisulfoni<br />

policarbonati<br />

(Delrin)<br />

(Udel)<br />

(Lexan)<br />

elevata stabilità termica<br />

eccellenti proprietà meccaniche e termiche<br />

e agli agenti chimici<br />

proprietà meccaniche<br />

eccellenti e ottima<br />

resistenza agli agenti chimici


Polimeri biodegradabili<br />

Vengono utilizzati nella preparazioni <strong>di</strong> matrici per il tissue<br />

Ecco alcune potenziali applicazioni:<br />

engineering<br />

Quello più comune è<br />

ialuronico mo<strong>di</strong>ficato<br />

matrice acido ialuronico<br />

l’estere<br />

benzilico<br />

derivato dall’acido<br />

le cellule crescono sulla<br />

matrice rigenerazione del tessuto


•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

Polimeri biodegradabili<br />

Polimeri innovativi:<br />

Il Poli[DTE carbonato]<br />

Il Polipirrolo<br />

Il Poli[PCPP-SA anidride]<br />

costituito da una forma Per la porosa sua capacità <strong>di</strong> b-fosfato <strong>di</strong> condurre tricalcico<br />

consente Viene un utilizzato flusso corrente ottimale per il rilascio <strong>di</strong> elettrica cellule, controllato sangue è stato <strong>di</strong> e utilizzato nutrienti<br />

viene<br />

farmaci e come per applicazioni substrato quali per il la ricrescita <strong>di</strong><br />

Poli[DTE carbonato] degradazione <strong>di</strong> una tessuto vite impiantata commercializzato<br />

nervosonell’osso<br />

trattamento del glioblastoma cerebrale come riempitivo o la<br />

riparazione <strong>di</strong> ferita corneale dell’osso naturale<br />

L’Orthovita<br />

Il VITOSS


Le proprietà<br />

•<br />

I biomateriali<br />

compositi<br />

“materiali che, su scala microscopica o macroscopica,<br />

contengono due o più componenti o fasi costituenti”<br />

•<br />

•<br />

forniscono prestazioni migliori rispetto a quelle dei materiali omogenei<br />

I tessuti biologici, in quanto formati da cellule e dalla matrice extracellulare, possono<br />

essere considerati come materiali compositi<br />

dei materiali compositi <strong>di</strong>pendono in modo particolare:<br />

dalla forma e dalla <strong>di</strong>sposizione delle componenti <strong>di</strong>somogenee incluse<br />

nella matrice<br />

dalla frazione<br />

<strong>di</strong><br />

dalle caratteristiche<br />

volume<br />

delle<br />

occupato<br />

interfacce<br />

che si creano tra i <strong>di</strong>versi componenti


I biomateriali<br />

compositi<br />

quando li si voglia utilizzare come biomateriali, è necessario<br />

che ogni componente del composito sia biocompatibile<br />

Le principali applicazioni biome<strong>di</strong>che<br />

•<br />

•<br />

•<br />

riempitivi<br />

per protesi odontoiatriche<br />

protesi porose in generale<br />

protesi ortope<strong>di</strong>che<br />

sono:


I biomateriali<br />

compositi<br />

Un problema concreto che si pone nell’utilizzo <strong>di</strong> metalli e<br />

ceramici in ortope<strong>di</strong>a: lo stress shiel<strong>di</strong>ng<br />

atrofia<br />

ossea


I biomateriali<br />

compositi<br />

Altre ragioni che inducono alla scelta dei compositi<br />

polimerici sono dovute a:<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

•<br />

assenza <strong>di</strong> corrosione<br />

assenza <strong>degli</strong> effetti della fatica<br />

assenza <strong>di</strong> rilascio <strong>di</strong> ioni, che potrebbero indurre la<br />

per<strong>di</strong>ta dell’impianto e reazioni indesiderate <strong>di</strong> varia<br />

natura nell’organismo<br />

resistenza alla frattura più<br />

compatibili con le più<br />

elevata dei ceramici<br />

moderne tecniche <strong>di</strong>agnostiche


Breve riepilogo

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