Biomateriali 2

Biomateriali e la loro evoluzione

Lazzari Martina Biomateriali [2] aa 2018-2019

I biomateriali sono materiali che servono per produrre oggetti e dispositivi che hanno un’applicazione inerente alla vita. Significa quindi che sono rilevanti rispetto ai sistemi viventi, ovvero riferito al fatto che deve avere una funzione che serve per mantenere oppure migliorare la salute dell’uomo.

In estrema analisi per biomateriale si intende:

“a material intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body”

“a substance that has been engineered to take a form which, alone or as a part of a complex system, is used to direct, by control of interactions with components of living systems, the course of any therapeutic or diagnostic procedure”.

I requisiti di un biomateriale sono:

• Eseguire la funzione desiderata efficacemente e per la durata prevista: idealmente dovrebbe avere durata uguale all’aspettativa di vita del paziente, anche se ciò non succede mai perché hanno durata limitata, dopodiché devono essere espiantate.
• Non deve portare alcun danno al paziente: il materiale deve essere biocompatibile ovvero che la risposta infiammatoria che causa l’impianto sia quella fisiologica e non tale da causarne il fallimento.
• Deve essere impiantato nel paziente in maniera efficace e a basso costo: il dispositivo deve essere impiantato nel sito previsto senza un grosso trauma al paziente e a basso costo per avere dispositivi accessibili a tutti.
• Deve essere scelto e maneggiato con grande cura: la possibilità di un’infezione batterica è concreta.
• Non usare un qualunque materiale disponibile.

La biocompatibilità indica che il materiale è in grado di lavorare dando un’appropriata risposta da parte dell’ospite. Significa che la risposta dell’organismo ospite, sia locale che sistemica, sia fisiologica. Locale fa riferimento al sito dell’impianto che deve causare, al massimo, la formazione di una membrana fibrotica che non causi il fallimento del dispositivo. A livello sistemico si intende che il materiale potrebbe dar luogo a prodotti di rilascio che non sono biocompatibili fermandosi nell’intorno dell’impianto o andando ad accumularsi in organi bersaglio come, per esempio, il fegato.

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A volte il processo di lavorazione di un materiale modifica la biocompatibilità dello stesso a causa di degradazione con rilascio di elementi tossici o a causa di assorbimento di oli di lavorazione non biocompatibili.

Nel momento in cui un dispositivo viene impiantato si ha uno stress fisico con una conseguente risposta infiammatoria per l’intrinseca incompatibilità tra il materiale estraneo e i tessuti del corpo umano. Inoltre i fenomeni di interazione materiale-corpo umano variano da paziente a paziente e variano anche in relazione alla tecnica utilizzata per impiantare il materiale o dispositivo nel paziente.

La biocompatibilità non è una caratteristica intrinseca del materiale ma dipende da come viene trattato e come viene lavorato il materiale ma è una caratteristica del sistema materiale-tessuto umano.

Si può utilizzare lo stesso materiale per diversi impieghi, non è detto che il corpo umano risponda nello stesso modo perché viene usato in modo diverso ed è sollecitato in maniera diversa. Questo significa che se devo pensare un materiale per un’applicazione bisogna studiare il materiale rispetto all’applicazione finale.

Alcuni dispositivi possono portare a infiammazione con conseguente infezione batterica, ad esempio:

• La protesi di valvola cardiaca può causare endocardite.
• Le lenti a contatto a effetti a lungo termine sui tessuti dell’occhio.
• La protesi d’anca alla rimozione del dispositivo.
• La chirurgia ricostruttiva a rimozione del dispositivo.

L’obiettivo dei dispositivi impiantabili è di migliorare lo stato di vita del paziente e la sua capacità nelle interazioni sociali come l’impianto cocleare.

Oltre a questi esistono altri approcci come quelli di medicina rigenerativa dove si cerca di rigenerare il tessuto usando gli scaffold oppure usando matrici decellularizzate.

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Materiali polimerici in sintesi

La configurazione è come sono disposte le unità monomeriche in catena: lineare, ramificato e reticolato sono le tre principali. Ci sono poi casi particolari come i dendrimeri.

Lineari e ramificati sono caratteristici dei materiali termoplastici, ramificata e dendrimeri sono caratteristici dei materiali termoindurenti.

Gli omopolimeri sono polimeri che hanno una sola unità monomerica nella catena.

I copolimeri hanno due o più unità monomeriche in catena ed è un materiale che permette di avere caratteristiche meccaniche e di resistenza differenti da quelli dei polimeri che li compongono. I copolimeri a blocchi hanno porzioni di catena con una sola unità monomerica e altre porzioni di catena con un’altra unità monomerica. Avere dei blocchi permette di avere zone del polimero che rispondono diversamente a stimoli uguali.

La cristallinità nei materiali polimerici indica un arrangiamento ordinato nelle catene macromolecolari che conferisce caratteristiche particolari ai polimeri. Non si hanno mai materiali polimerici cristallini al 100% perché avrò sempre delle porzioni con dei difetti. La cristallinità è una proprietà non intrinseca del materiale ma che può essere indotta dal processo di lavorazione e trattamenti termici come nel caso dei fili di sutura che hanno una cristallinità maggiore rispetto a quella che si ottiene dallo stampaggio del materiale a causa della lavorazione per stiro facendo sì che le catene siano ben organizzate in quella direzione.

Ciò significa che le lavorazioni meccaniche come laminazione, stiramento ed estrusione tendono a orientare le catene parallelamente le une alle altre, favorendo la formazione di cristallinità.

Il vantaggio di avere polimeri con regioni amorfe contribuisce alla deformabilità del materiale, per quanto riguarda le regioni cristalline contribuiscono a incrementare le caratteristiche meccaniche del materiale.

Per quanto riguarda la degradazione per esempio idrolitica le regioni amorfe impiegano meno tempo a degradare rispetto alle regioni cristalline.

Le transizioni termiche della fase amorfa sono la transizione vetrosa che determina il passaggio dallo stato vetroso a quello gommoso ed è detta transizione isofasica che permette lo scorrimento delle catene per temperature maggiori della Tg e quella di rammollimento che determina il passaggio dallo stato solido amorfo allo stato liquido viscoso, mentre la fase cristallina ha solo la temperatura di fusione.

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I materiali reticolati non vanno incontro a cambiamenti con la temperatura ma vanno incontro a degradazione e conseguente instabilità. C è molto reticolato e alzandosi la temperatura diminuiscono le caratteristiche meccaniche ma non significativamente. Con il calore si può aumentare la reticolazione del materiale, aumentando la temperatura, quindi, aumentano le caratteristiche meccaniche del materiale.

L’elasticità entalpica fa riferimento al fatto che per rompere il materiale devo rompere legami forti. Applicando piccole forze il materiale è in grado di tornare alla forma iniziale, determinando deformazioni piccole. L’andamento rappresentato nel grafico rimane pressoché costante per l’entropia. Quello che aumenta è l’energia interna. L’elasticità entalpica è tipica dei materiali metallici e ceramici ma ci sono anche materiali polimerici in cui si ha questo comportamento come per esempio i materiali vetrosi e i materiali termoindurenti.

Viceversa gli elastomeri hanno strutture tali per cui vanno incontro ad alte deformazioni ma sono in grado di recuperare la loro forma. In queste deformazioni l’entropia diminuisce perché si allineano le catene e

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l’energia interna non varia significativamente e in questo caso si parla di elasticità entropica.

I materiali polimerici sono viscoelastici e hanno comportamento intermedio tra quello di un liquido e di un solido. La loro risposta allo sforzo è in parte di tipo elastico e in parte di tipo viscoso. Le proprietà dipendono dal tempo, temperatura e velocità di applicazione del carico.

Le diverse curve sono in funzione della distribuzione dell’applicazione del carico.

Per quanto riguarda le proprietà a trazione nel tratto detto drawing le catene macromolecolari si allineano e non si ha un innalzamento delle proprietà meccaniche ma solo la possibilità di ridurre il tratto resistente. Poi aumenta rapidamente lo sforzo e la deformazione non aumenta in modo proporzionale perché le catene sono allineate e si inizia ad agire sui legami covalenti per poter deformare poco il materiale.

La tenacità rappresenta la capacità di assorbire energia prima della rottura ed è indicata come l’area sottesa dalla curva e la resilienza è capacità di assorbire energia nel campo elastico.

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L’isteresi è significativa del fatto che parte dell’energia viene dissipata nel provino dai meccanismi di attrito interno.

La linea verde fa riferimento ai materiali viscoelastici, quella blu ai materiali elastici e quella azzurra ai materiali viscosi. Maggiore è la componente elastica maggiore la curva sarà simile a quella blu, maggiore sarà quella viscosa maggiore sarà la somiglianza a quella azzurra. La deformazione residua è un valore di deformazione finale del materiale viscoelastico, dove il grafico verde non torna all’origine. La deformazione residua può essere recuperata con il tempo oppure essere permanente.

Il materiale polimerico ha proprietà tempo-dipendenti:

• Creep: applico un carico costante nel tempo e analizzo la sua deformazione. Si ha una prima risposta della componente elastica e poi una che tiene conto del comportamento visco-elastico. Queste prove possono essere fatte a rottura.
• Recovery: si toglie il carico e si analizza come nel tempo il materiale riprende la forma iniziale e dipende da quanto la componente viscosa domina rispetto a quella elastica. Se accade ciò avrò una deformazione che sarà recuperata nel tempo. Se il materiale è elastico allora sarà in grado di recuperare istantaneamente la deformazione.

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• Stress relaxation: a deformazione costante analizzo le proprietà di sforzo del materiale polimerico nel tempo. Nel tempo diminuisce perché ho un assestamento dell’arrangiamento delle catene.

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Analisi meccaniche su materiali viscoelastici

I materiali polimerici sono viscoelastici. I due modelli più semplici per descrivere il comportamento di un materiale sottoposto ad uno sforzo sono:

• Modello di Hooke: descrive comportamento di un solido perfettamente elastico che se sottoposto a forza costante subisce una deformazione istantanea proporzionale alla forza stessa e restituisce informazioni sul modulo di taglio.
• Modello di Newton: descrive i fluidi viscosi. Secondo il modello la resistenza che deriva dall’attrito tra le parti di un fluido è proporzionale alla velocità con cui le diverse parti del liquido vengono separate tra loro. Questa resistenza prende il nome di viscosità. Sono prove che restituiscono valori sulla viscosità del materiale.

Per caratterizzare materiali polimerici si utilizzano i seguenti strumenti:

• DMA (analisi dinamico-meccanica): è una tecnica di caratterizzazione volta a studiare principalmente le proprietà viscoelastiche dei materiali, in particolare di quelli polimerici. Quando sollecito un materiale con un comportamento elastico applicando una deformazione sinusoidale il materiale avrà uno sforzo in fase con la deformazione. Se si ha un materiale viscoso lo sforzo di risposta alla deformazione applicata sarà sfasata di 90°. Parlando dei materiali viscoelastici che sono intermedi si avrà di risposta alla deformazione uno sfasamento che dipenderà da quanto è influente la componente elastica o quella viscosa. Tanto più il materiale avrà comportamento elastico lo sfasamento sarà ridotto, più invece il contributo viscoso è maggiore lo sfasamento si avvicinerà a 90°.

Da ciò si arriva a definire dei parametri meccanici che permettono di avere informazioni quantitative su quanto è il contributo elastico e viscoso al comportamento del materiale polimerico.

Applicando una deformazione sinusoidale parlando di materiale viscoelastico si scompone lo sforzo ricavando due parametri che permettono di ricavare il modulo complesso dato dalla somma di una componente E’ e E’’, una in fase e una sfasata dell’angolo delta. E’ di fase darà informazioni sul contributo della componente elastico e E’’ dà informazioni sulla componente viscosa. L’angolo δ sarà maggiore quanto la componente viscosa, minore quanto la componente elastica. La componente E’ è chiamato modulo conservativo ed è

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legato al contributo elastico e tiene conto dell’energia immagazzinata durante la deformazione. E’’ viene detto modulo dissipativo e tiene conto dell’energia che viene dissipata perché la componente viscosa determina la formazione di attrito e rappresenta quindi l’energia dispersa durante la deformazione. La tangente di δ è E’’/E’ ed è il rapporto di perdita.

Consente di determinare la variazione delle proprietà di un materiale in funzione di temperatura, frequenza e tempo. A seconda del tipo di afferraggio posso studiare diversi materiali:

• Tension mode: effettua prove di trazione. Ha come limite la forza massima. La cella di carico è molto bassa e bisogna utilizzare provini con sezione resistente piccola. Si ha una clamp fissa (afferraggio) e un braccio che è il clamp mobile. Se bisogna applicare carico con una frequenza il clamp mobile sollecita il provino con una certa frequenza.
• Compression mode: effettua prove di compressione. Analisi di materiali con basso-medio modulo elastico.
• Shear sandwich mode: permette di fare prove in share (taglio). Utilizzato per solidi soft come gel, adesivi ed elastomeri a temperatura maggiore della Tg, su materiali, quindi, con una bassa coesione e alta deformabilità, tuttavia la coesione non deve essere troppo bassa perché deve essere in grado di mantenere la sua forma.
• Dual cantilever mode: permette di fare prove di flessione tenendo fissi due estremi. Può essere utilizzato per materiali termoplastici ed elastomeri. Si limita la deformazione del campione.
• Single cantilever mode: il provino è ancorato solo da una parte e viene usato per termoplastici ma non per elastomeri che hanno una deformazione molto elevata. Nel caso in cui facessi una prova di questo tipo il rischio è che la

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• deformazione sia così elevata da andare verso il limite di corsa dello strumento che si deforma troppo. Viene usato quindi con materiali a bassa deformabilità.
• 3 point bend mode: tipico delle prove di flessione dove il campione è libero alle estremità. Facendo queste prove con un elastomero questo non riesce a mantenersi sui due appoggi per la sua alta deformabilità. Viene usato quindi su materiali con medio-alto modulo come per esempio il policarbonato e PMMA. Elastomero:
  • Basso modulo.
  • Alta deformabilità.
  • Bassa rigidezza.

Per determinare E’ e E’’ posso fare prove che non dipendono dal tipo di afferraggio, per esempio, applicando una temperatura crescente e quindi delle prove in rampa di temperatura con una certa velocità di applicazione della temperatura. Aumentando nel tempo la temperatura ad ogni tempo fissato valuto i due moduli E’ ed E’’. La frequenza e l’ampiezza della sinusoide rimangono costanti durante queste prove. Come risultato della prova si ha:

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Riguarda la componente elastica e guardando l’andamento si vede che a bassa temperatura abbiamo un alto modulo perché si è sotto la temperatura di transizione vetrosa. Sotto questa nella regione di transizione il modulo si abbassa e poi si assesta. Dopo la regione di plateau gommoso scende di nuovo fino a decadere. La componente E’ legato alla componente viscosa sotto la Tg è costante perché le catene sono congelate. Si ha poi un picco in corrispondenza dell’inizio dell’intervallo di transizione vetro-gomma. Poi scende fino alla fusione della parte cristallina p il rammollimento della fase amorfa. Il modulo dissipativo è collegato all’energia dissipata per fenomeni di attrito, quindi si hanno le catene che sono immobili e bloccate sotto la Tg, scaldando il materiale le catene cominciano a muoversi e significa che si hanno fenomeni di attrito tra le catene che si muovono contemporaneamente avendo un’elevata dispersione di energia e si ha il picco quando le catene si muovono tra di loro avendo dissipazione di energia. A seconda del materiale si avranno diverse temperature e queste prove si faranno scegliendo intervalli di temperatura che coprano le temperature di interesse del materiale polimerico considerato. La temperatura si incrementa tendenzialmente con