Resistenza dei BioMateriali

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Resistenza dei BioMateriali
BioMateriali artificiali
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali artificiali
1
Categorie di materiali impiegati nelle applicazioni bioingegneristiche
Materiali
Vantaggi
Svantaggi
Metallici (acciai, titanio e
leghe, leghe di cobalto)
Elevate caratteristiche
meccaniche, resistenza alla
usura
Scarsa biocompatibiltà, alta
densità di massa, facilità di
corrosione in ambiente
fisiologico
Mezzi di osteosintesi,
protesi per ortopedia e
odontoiatria
Polimerici (siliconi,
poliuretani, polietilene,
acrilati, fluorurati, poliesteri)
Tenacia, bassa densità,
facilità di lavorazione
Bassa resistenza
meccanica, degradabilità
nel tempo
Suture, cateteri, drenaggi,
protesi cardiovascolari,
cementi per ossa,
dispositivi per il trattamento
del sangue
Ceramici (ossidi di
alluminio, alluminati di
calcio, ossidi di titanio,
carboni)
Buona biocompatibilità,
inerzia chimica, elevata
resistenza alla
compressione, resistenza
alla corrosione
Bassa affidabilità
meccanica, bassa
resistenza alla trazione
impulsiva, alta densità di
massa, fragilità, difficoltà di
lavorazione
Protesi d’anca, protesi
dentali, dispositivi
percutanei
Compositi (metalli rivestititi
con ceramici, matrici
rinforzate con fibre)
Buona biocompatibilità,
inerzia chimica, buone
caratteristiche meccaniche,
resistenza alla corrosione
Scarsa coesione tra i
componenti, difficoltà di
lavorazione
Protesi valvolari cardiache,
protesi di ginocchio
Biologici (vene, pericardio,
valvole cardiache)
Ottima biocompatibilità
Scarsa affidabilità
meccanica, difficoltà di
trattamento e
conservazione
Protesi vascolari, protesi
valvolari, rivestimenti
Resistenza dei
BioMateriali
BioMateriali artificiali S
Applicazioni
2
I materiali polimerici
a catena:
• lineare
• ramificata
• reticolata
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BioMateriali artificiali R
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Materiale polimerico a catena lineare
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Materiale polimerico a catena ramificata
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Materiale polimerico a catena reticolata
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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 der
Waals, 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.
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I polimeri reticolati
hanno 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 più
possibile avere lo scorrimento viscoso.
[1] Il legame covalente è il legame chimico che si stabilisce tra
atomi uguali o diversi mettendo insieme una o più coppie di
elettroni.
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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.
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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.
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Curve sforzo-deformazione
per un polimero termoplastico
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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
differenti forme quali ad esempio:
–
–
–
–
–
–
molte
fibre
tessuti
pellicole
barre
forme geometricamente complesse
liquidi viscosi
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BioMateriali
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• 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.
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• 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 biomedico
differiscono 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.
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I materiali polimerici per uso biomedico
•
•
•
•
•
•
•
PoliEsteri
PoliAmmidi
PoliEtilene
PoliSilossani
PoliTetraFluorEtilene
PoliUretani
PoliMetilMetAcrilato
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• 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)
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•
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
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•
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
Resistenza dei
BioMateriali
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PoliEsteri (PET)
• I PoliEsteri maggiormente
biomediche sono
usati
per
applicazioni
– 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.
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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 proprietà
meccaniche del polimero peggiorano e ciò
deve avvenire solo contemporaneamente alla
mineralizzazione dell’osso calloso.
Resistenza dei
BioMateriali
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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 è
necessario 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.
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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 liquidocristallini. Un esempio sono le Poliammidi aromatiche o
Poliaramidi, quali il Kevlar, che possono fornire fibre
con elevatissime proprietà meccaniche.
Resistenza dei
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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.
Resistenza dei
BioMateriali
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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.
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BioMateriali
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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.
Resistenza dei
BioMateriali
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PoliEtilene (PE)
•
Negli impianti ortopedici è impiegato un HDPE con un
elevatissimo peso molecolare e comunemente noto come ultrahighmolecular-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.
Resistenza dei
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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.
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27
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).
Resistenza dei
BioMateriali
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PoliTetraFluorEtilene (PTFE)
•
Il PoliTetraFluoretilene, noto con il nome commerciale di Teflon, è
considerato 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.
Resistenza dei
BioMateriali
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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 calibro
con buone caratteristiche di emocompatibilità e con un’elastictà
radiale 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.
Resistenza dei
BioMateriali
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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
Resistenza dei
BioMateriali
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Proprietà meccaniche di alcuni polimeri comuni
Resistenza a
rottura [MPa]
Allungamento
specifico a
rottura [%]
Modulo di
elasticità [GPa]
Densità di
massa
[Kg/m3]
8 ÷ 21
50 ÷ 800
0.1 ÷ 0.28
920
21 ÷ 38
15 ÷ 130
0.4 ÷ 1.2
960
PoliMetilMetAcrilato
(Plexiglas o Perspex)
(PMMA)
41 ÷ 82
2÷5
2.4 ÷ 3.1
1220
PoliTetraFluorEtilene
(Teflon, Gore-Tex) (PTFE)
14 ÷ 48
100 ÷ 400
0.41 ÷
0.55
2170
PoliAmmide (PA)
76 ÷ 83
60 ÷ 300
2.8 ÷ 3.4
1140
PoliEstere (PET)
55 ÷ 72
50 ÷ 300
2.8 ÷ 4.1
1360
Polimero
PoliEtilene (PE)
bassa densità
alta densità
Resistenza dei
BioMateriali
32
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;
Resistenza dei
BioMateriali
33
I materiali metallici
possono 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.
Resistenza dei
BioMateriali
34
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
Resistenza dei
BioMateriali
35
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.
Resistenza dei
BioMateriali
36
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.
Resistenza dei
BioMateriali
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Proprietà meccaniche degli Acciai inossidabili per impianti
t temprato, f forgiato, lf lavorato a freddo, g in getto
Proprietà
F55, F138 (AISI
316L)
F745
22-13-5
Ortron 90
Densità di massa
[g/cm3]
7.9
Modulo di Young
[GPa]
193
∼193
∼ 193
∼193
Sforzo per 0.2% di
deformazione
plastica [MPa]
170 t
250 fc
310 lf
1200 ff
205 g
785 fc
1175 lf
479 t
928 lf
Sforzo a rottura
[MPa]
480 t
550 fc
655 lf
1300 ff
480 g
930 fc
1300 lf
834 t
1035 lf
Allungamento a
rottura [%]
40 t
55 fc
28 lf
12 ff
480 g
37 fc
15 lf
72 t
64 lf
Resistenza dei
BioMateriali
38
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 sé
stesso 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.
Resistenza dei
39
BioMateriali
Proprietà meccaniche delle leghe di Cobalto per impianti
(t temprato, f forgiato, lf lavorato a freddo, g in getto)
Proprietà
F90
F563
F562
195
210
195
195
Sforzo per 0.2%
di deformazione
plastica [MPa]
450 g
890 f
310 t
276
240 t
1585 lf
Sforzo a rottura
[MPa]
65 g
1400 f
860 t
600 t
827 lf
795 t
1790 lf
Allungamento a
rottura [%]
8g
28 g
30 t
50 t
18lf
50 t
8 lf
Densità di
massa [g/cm3]
Modulo di
Young [GPa]
Resistenza dei
BioMateriali
F75
7.8 f
9.15 lf
40
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.
Resistenza dei
BioMateriali
41
Proprietà meccaniche del Titanio e delle sue leghe per impianti
t temprato, f forgiato
Materiale
Titanio puro (ASTM)
Proprietà
F67
Densità di massa
[g/cm3]
4.5
Modulo di Young
[GPa]
Leghe di Titanio (ASTM)
F136
Ti5Al2.5Fe
100
105
∼ 193
Sforzo per 0.2% di
deformazione
plastica [MPa]
485
795
818 t
900 f,t
Sforzo a rottura
[MPa]
550
860
963 t
985 f,t
Allungamento a
rottura [%]
15
10
36 t
33f,t
Resistenza dei
BioMateriali
42
I materiali ceramici
•
Ossidi:
–
–
–
•
Sali ionici:
–
–
–
•
a pasta porosa (terrecotte, terraglie e maioliche)
A pasta compatta (porcellane e grès)
Materiali ceramici tradizionali:
–
–
•
Diamante
Grafite
Carbonio turbostrato
Ceramiche tradizionali (Argilla con Quarzi, Feldspati, Marne e Calcari):
–
–
•
Cloruro di Sodio (NaCl)
Cloruro di Cesio (CsCl)
Solfuro di Zinco (ZnS)
Strutture di Carbonio:
–
–
–
•
Allumina (Al2O3)
Ossido di Magnesio (MgO)
Silice (SiO2)
a base di Silicio (Silicati, Feldspati.)
a base di Alluminio (allumina)
Ceramici avanzati ( materiali inorganici non metallici):
–
–
–
Ossidi,
Siliciuri
Carburi
Resistenza dei
BioMateriali
43
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
Resistenza dei
BioMateriali
44
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
Resistenza dei
BioMateriali
45
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.
Resistenza dei
BioMateriali
46
Diagramma sforzo-deformazione per l’Allumina
Resistenza dei
BioMateriali
47
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
–
–
•
Odontoiatrico
–
–
•
implantologia
denti artificiali
Otorinolaringoiatrico
–
–
•
protesi articolari
mezzi di osteosintesi
protesi degli ossicini dell’orecchio interno
chirurgia ricostruttiva del naso e della gola
Cardiovascolare
– protesi valvolari cardiache
Resistenza dei
BioMateriali
48
I materiali ceramici biomedici
sono 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.
Resistenza dei
BioMateriali
49
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 grani
se si innesca in qualche punto un processo di usura.
Resistenza dei
BioMateriali
50
Proprietà meccaniche dell’Allumina
Proprietà
ISO 6474
ASTM F603-83
Frialit
bioceramic
Densità [g/cm3]
> 3.9
> 3.98
Resistenza alla
compressione [MPa]
4000
4000
Resistenza alla
flessione [MPa]
> 400
> 450
380
380
Modulo di Young
[GPa]
Resistenza dei
BioMateriali
51
I materiali ceramici bioattivi
favoriscono:
•
reazioni positive dell’ambiente biologico all’impianto (ad esempio attività rigeneratrice
dell’osso),
•
reazioni chimiche che modificano il materiale per un certo spessore sotto la sua
superficie.
Sono riconducibili a due categorie:
•
i ceramici intrinsecamente bioattivi i quali favoriscono la bioattività grazie alla loro
composizione chimica
–
–
•
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.
Resistenza dei
BioMateriali
52
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 stabilità
chimica 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).
Resistenza dei
BioMateriali
53
L’Idrossiapatite
possiede un’eccellente biocompatibilità in quanto è capace di formare legami con i
tessuti duri.
Nel caso in cui all’interno dell’osso si inserisca un corpo la cui superficie è costituita da
Idrossiapatite artificiale, l’osso riconosce tale materiale e avvia un processo di
penetrazione di sostanze organiche.
Questo processo avviene solo per uno spessore modesto , in quanto l’Idrossiapatite
artificiale 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.
Resistenza dei
BioMateriali
54
Proprietà meccaniche dell’Idrossiapatite
40 ÷ 117
Modulo di Young [GPa]
Resistenza alla compressione [MPa]
294
Resistenza alla flessione [MPa]
147
Rapporto di Poisson
0.27
Densità [g/cm3]
3.16
Resistenza dei
BioMateriali
55
I BioVetri
possiedono 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.
Resistenza dei
BioMateriali
56
Il Carbonio turbostrato
è
•
•
•
•
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.
Resistenza dei
BioMateriali
57
Il Carbonio pirolitico
è 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 proprietà
meccaniche 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.
Resistenza dei
BioMateriali
58
Il carbonio pirolitico
ha 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
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.
Resistenza dei
BioMateriali
superficiale
59
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 pezzo
né 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.
Resistenza dei
BioMateriali
60
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 carbon
contrariamente a quanto avviene per il carbonio pirolitico
e 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.
Resistenza dei
BioMateriali
61
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 valvolari
cardiache 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.
Resistenza dei
BioMateriali
62
Proprietà meccaniche dei Carboni turbostrato
Proprietà
Glassy carbon
Carbonio
pirolitico
+ Si (5 ÷ 12%)
Carbonio
pirolitico
ULTI carbon
Densità [g/cm3]
1.4 ÷ 1.6
2.04 ÷ 2.13
1.7 ÷ 2.2
1.5 ÷ 2.2
Sforzo a rottura
per flessione
[MPa]
70 ÷ 207
550 ÷ 620
275 ÷ 550
345 ÷ 690
21 ÷ 34
28 ÷ 41
17 ÷ 28
14 ÷ 21
Allungamento a
rottura [%]
0.8 ÷ 1.3
2.0
1.6 ÷ 2.1
2.0 ÷ 5.0
Energia di
deformazione a
rottura [MJ/m3]
0.6 ÷ 1.4
5.5
2.7 ÷ 5.5
9.9
Modulo di
Young [GPa]
Resistenza dei
BioMateriali
63

Resistenza dei BioMateriali

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