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