Appunti Biomateriali - prima parte

Appunti di biomateriali modulo I

Prof.ssa Petrini Paola - Anno accademico 2019/2020

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Sommario

• 1. Leghe di titanio e resistenza meccanica......................................................................................................6
• 1.1. Protesi di ginocchio ................................................................................................................................6
  • 1.1.1. Problema clinico – total knee replacement ..................................................................................6
  • 1.1.2. Anatomia del ginocchio ....................................................................................................................6
  • 1.1.3. Patologie del ginocchio ....................................................................................................................6
  • 1.1.4. Total knee replacement - procedura chirurgica .........................................................................7
  • 1.1.5. Componenti ..........................................................................................................................................7
  • 1.1.6. Problemi legati all’impianto di una protesi di ginocchio ..........................................................7
  • 1.1.7. Materiali...............................................................................................................................................8
• 1.2. Leghe metalliche ......................................................................................................................................8
  • 1.2.1. Titanio ...................................................................................................................................................8
  • 1.2.2. Leghe di titanio....................................................................................................................................9
• 1.3. Resistenza di un materiale metallico ................................................................................................10
  • 1.3.1. Aspetti generali .................................................................................................................................10
  • 1.3.2. Relazione tra proprietà meccaniche e struttura cristallina ..................................................10
  • 1.3.3. Dislocazioni........................................................................................................................................10
• 1.4. Tecniche di modifica della resistenza ................................................................................................12
  • 1.4.1. Tempra di soluzione .........................................................................................................................12
  • 1.4.2. Dispersion and precipitate strengthening...................................................................................12
  • 1.4.3. Incrudimento ....................................................................................................................................12
  • 1.4.4. Lavorazione sui bordi di grano .....................................................................................................12
  • 1.4.5. Annealing - trattamento termico ................................................................................................13
  • 1.4.6. Ricristallizzazione - trattamento termico .................................................................................13
  • 1.4.7. Trattamenti termici sulle leghe Ti6Al4V .......................................................................................13
  • 1.4.8. Dimensione dei grani per Ti6AlV4 ....................................................................................................14
• 1.5. Progettazione di leghe di titanio per applicazioni ortopediche ................................................14
• Β
• 1.5.1. Perché c’è bisogno di progettare nuove leghe β ........................................................................15
• 1.5.2. Modulo elastico ...............................................................................................................................15
• 1.5.3. Effetti del niobio in una lega di titanio .......................................................................................15
• 1.5.4. Tossicità ..............................................................................................................................................15
• 1.5.5. Rilascio di ioni metallici ..................................................................................................................16
• 1.5.6. Progettazione di nuove leghe........................................................................................................16
• 1.5.7. Expert review .....................................................................................................................................16

• 2. Corrosione ......................................................................................................................................................18
• 2.1. Ossidazione e corrosione non sono la stessa cosa .........................................................................18
  • 2.1.1. Ossidazione dei metalli ....................................................................................................................18
  • 2.1.2. Formazione dell’ossido ...................................................................................................................18
  • 2.1.3. Resistenza all’ossidazione nei metalli ..........................................................................................19
  • 2.1.4. Da ossidazione a corrosione ..........................................................................................................19
• 2.2. Meccanismi di corrosione dei metalli................................................................................................19
• Termodinamica e velocità di un processo di corrosione .........................................................20
• 2.2.1.
• 2.3. Tipologie di processi di corrosione ....................................................................................................21
  • 2.3.1. Corrosione localizzata in fessura (crevice corrosion) ............................................................21
  • 2.3.2. Corrosione localizzata per sfregamento (fretting corrosion) .............................................21
  • 2.3.3. Corrosione galvanica ......................................................................................................................21
  • 2.3.4. Corrosione intergranulare ...........................................................................................................21
• 2.4. Rilascio di ioni dai metalli passivi .......................................................................................................22
  • 2.4.1. Conseguenze del rilascio di ioni ....................................................................................................22
  • 2.4.2. Scientific paper ..................................................................................................................................22
• 2.5. Corrosione indotta da cellule biologiche .......................................................................................23
• 2.6. Tribologia ...............................................................................................................................................24
  • 2.6.1. Definizioni...........................................................................................................................................24
  • 2.6.2. Usura ...................................................................................................................................................24
  • 2.6.3. Meccanismi di usura .........................................................................................................................24

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• 2.6.4. Effetti della geometria ...................................................................................................................25
• 2.6.5. Corrosione per fatica ......................................................................................................................25
• 2.7. Prove di resistenza alla corrosione ..................................................................................................26
  • 2.7.1. Norme tecniche .................................................................................................................................26
  • 2.7.2. Soluzione isotonica, o fisiologica .................................................................................................26
  • 2.7.3. Soluzioni di Ringer ............................................................................................................................26
  • 2.7.4. Studio della corrosione per fatica ...............................................................................................27
  • 2.7.5. Studio della corrosione per sfregamento (tra vite e placca di osteosintesi)......................27
• 2.8. Il ruolo delle superfici nel combattere la corrosione ..................................................................27
  • 2.8.1. Leghe resistenti alla corrosione ...................................................................................................27
  • 2.8.2. Rivestimenti funzionali ...................................................................................................................29
  • 2.8.3. Superfici bioinspirate .......................................................................................................................30

• 3. Modifiche di superficie ..................................................................................................................................32
• 3.1. Osteoinduzione, osteoconduzione ed osteointegrazione ............................................................32
  • 3.1.1. Struttura dell’osso .........................................................................................................................32
  • 3.1.2. Osteoinduzione .................................................................................................................................32
  • 3.1.3. Osteoconduzione ..............................................................................................................................33
  • 3.1.4. Definizioni di osteointegrazione ...................................................................................................33
  • 3.1.5. Studio dell’osteointegrazione di un impianto ...........................................................................34
  • 3.1.6. Cosa significa avere osteointegrazione .......................................................................................34
• 3.2. Tecniche di modifica delle superfici ...................................................................................................35
  • 3.2.1. Esempio di letteratura - dispositivi spine fusion ........................................................................35
  • 3.2.2. Metodi tradizionali di modifica delle superfici ..........................................................................35
  • 3.2.3. Metodi meccanici ..............................................................................................................................36
  • 3.2.4. Metodi fisici........................................................................................................................................37
  • 3.2.5. Metodi chimici ...................................................................................................................................38
  • 3.2.6. Metodo Kokubo .................................................................................................................................38
  • 3.2.7. Metodi elettrochimici ......................................................................................................................39
  • 3.2.8. Metodi biochimici ..............................................................................................................................40
• 3.3. Lavorazioni superficiali negli impianti dentali................................................................................41
  • 3.3.1. Tipologie di impianti dentali ...........................................................................................................41

• 4. Bioceramici per chirurgia ricostruttiva .................................................................................................43
• 4.1. Critical bone defect (CBD) .....................................................................................................................43
  • 4.1.1. Normative riguardo il CBD .............................................................................................................43
  • 4.1.2. Difficoltà di definizione del CBD in modelli in vivo ....................................................................44
• 4.2. Golden standard per la rigenerazione ossea ..................................................................................44
  • 4.2.1. Autograft ..........................................................................................................................................44
  • 4.2.2. Allograft ...........................................................................................................................................44
• 4.3. Frontiere innovative nella rigenerazione ossea ............................................................................44
  • 4.3.1. Matrice ossea demineralizzata ......................................................................................................45
  • 4.3.2. Biomateriali per bone graft ...........................................................................................................45
• 4.4. Bone graft sintetico: uso di calcio-fosfati ......................................................................................45
  • 4.4.1. Idrossiapatite (HA) ............................................................................................................................46
  • 4.4.2. Calciofosfati più performanti dell’idrossiapatite ....................................................................46
  • 4.4.3. Amorphous calcium phosphates ...................................................................................................47
  • 4.4.4. Tricalciofosfati.................................................................................................................................47
  • 4.4.5. Calciofosfati bifasici ........................................................................................................................48
• 4.5. Prove di bioattività ...............................................................................................................................48

• 5. Infezioni batteriche .......................................................................................................................................49
• 5.1. Esperimento della Harvard Medical School ....................................................................................49
• 5.2. Problema clinico ...................................................................................................................................49
  • 5.2.1. Fattori critici del problema ...........................................................................................................50
  • 5.2.2. Formazione e caratteristiche del biofilm ....................................................................................50
  • 5.2.3. Deficit immunitario e risposta osteoimmune .............................................................................50

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• 5.3. Soluzioni al problema delle infezioni batteriche............................................................................51
  • 5.3.1. Rilascio di antibiotici........................................................................................................................51
  • 5.3.2. Modifiche superficiali ......................................................................................................................52
  • 5.3.3. Soluzioni reali ...................................................................................................................................52
• 5.4. Test di antibattericità...........................................................................................................................53
• 5.5. Frontiere innovative ............................................................................................................................54

• 6. Additive manufacturing ..............................................................................................................................55
• 6.1. Aspetti generali .....................................................................................................................................55
  • 6.1.1. Costo ...................................................................................................................................................55
  • 6.1.2. Software user-friendly ...................................................................................................................55
  • 6.1.3. Approccio patient-based ..................................................................................................................55
  • 6.1.4. Flessibilità nei processi ....................................................................................................................56
  • 6.1.5. Struttura del pezzo .........................................................................................................................56
  • 6.1.6. Materiali.............................................................................................................................................57
  • 6.1.7. Anisotropia ........................................................................................................................................57
  • 6.1.8. Limitazioni dell’additive manufacturing ....................................................................................57
• 6.2. Tecniche di additive manufacturing ..................................................................................................58
  • 6.2.1. Powder bed fusion (PBF) ..................................................................................................................58
  • 6.2.2. Electron beam melting (EBM) .........................................................................................................58
  • 6.2.3. Direct metal laser sintering (DMLS) ..............................................................................................58
  • 6.2.4. HP multijet fusion ............................................................................................................................58
  • 6.2.5. Hot isostatic pressing ......................................................................................................................59