Appunti di Biomateriali

Biomateriali

Sommario

• Introduzione ...................................................................................................................................... 2
• Legame chimico .................................................................................................................................. 5
• Stato solido ....................................................................................................................................... 6
• Solidi cristallini ............................................................................................................................................ 7
• Solidi con strutture a strati o a catene ..................................................................................................... 12
• Difetti nei solidi ......................................................................................................................................... 12
• Proprietà dei materiali ................................................................................................................... 14
• Proprietà meccaniche ............................................................................................................................ 14
• Proprietà termiche ................................................................................................................................... 17
• Proprietà elettriche .................................................................................................................................. 17
• Proprietà ottiche ...................................................................................................................................... 17
• Analisi delle superfici ..................................................................................................................... 17
• Tecniche spettroscopiche ............................................................................................................... 18
• Spettroscopia elettronica per analisi chimiche (ESCA) .................................................................................. 21
• Analisi delle superfici mediante raggi X ......................................................................................................... 22
• Spettroscopia infrarossa .............................................................................................................................. 23
• Spettrometria di massa e di massa di ioni secondari (MS) (SIMS) ........................................................... 29
• Spettrometria di massa (MS) .................................................................................................................... 29
• SIMS (Spettrometria di massa di ioni secondari) ..................................................................................... 31
• Calorimetria differenziale a scansione ....................................................................................... 34
• Tecniche calorimetriche (DTA e DSC) ............................................................................................................... 34
• DTA ................................................................................................................................................................ 35
• DSC ............................................................................................................................................................... 36
• Analisi termogravimetrica (TGA) .................................................................................................................. 40
• Misure di angolo di contatto ....................................................................................................... 43
• Misura angolo di contatto ........................................................................................................................... 45
• Determinazione della tensione superficiale di un solido .......................................................................... 46
• Applicazione ai biomateriali ..................................................................................................................... 46
• Microscopia elettronica a scansione (SEM) ................................................................................. 46
• Microanalisi (EDXA) ......................................................................................................................... 52
• Microscopia a scansione effetto tunnel (STM) ........................................................................... 56
• Microscopia a forza atomica (AFM) .............................................................................................. 58
• Modifica delle superfici .................................................................................................................. 61
• Modifica per reazione chimica ....................................................................................................................... 62
• Modifica per innesto con radiazioni (Radiation grafting) ............................................................................. 62
• Modifica per silanizzazione ........................................................................................................................... 63
• Modifica per impianto con fascio ionico ....................................................................................................... 64
• Modifica per deposizione di uno strato di Langmuir-Blodgett ....................................................................... 64
• Modifica per deposizione di uno strato autoassemblante ............................................................................. 65
• Additivi che modificano le superfici ............................................................................................................... 65
• Coprenti di conversione ................................................................................................................................ 66
• Modifica per copertura con parilene ............................................................................................................ 66
• Modifica tramite laser .................................................................................................................................. 66
• Modifica per deposizione impiegante plasma ............................................................................................... 67
• Biomateriali polimerici ................................................................................................................... 69
• Classificazione dei polimeri ............................................................................................................................ 71
• Polimeri ad uso biomedico ............................................................................................................................. 84
• Polimeri termoplastici ............................................................................................................................. 93
• Polimeri biodegradabili ........................................................................................................................... 94
• Tecniche di processo ................................................................................................................................ 95
• Ingegneria tissutale ...................................................................................................................................... 96
• Metalli ............................................................................................................................................... 97
• Acciai inossidabili ........................................................................................................................................ 104
• Leghe di cobalto-cr .................................................................................................................................... 109
• Titanio e le sue leghe ................................................................................................................................... 109

Introduzione

Definizioni nel tempo

Definizione generale: sostanza utilizzata per costruire oggetti capaci di sostituire parti viventi originarie del corpo umano.

Ufficiale:

• 1974: Sostanza inerte verso l’organismo e dal punto di vista farmacologico, progettata per l’incorporazione in un organismo vivente.
• 1982: Sostanza di origine sintetica o naturale (comprendono anche organi trapiantati) diversa da un farmaco che si può impiegare per qualsiasi periodo di tempo da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un tessuto, organo o funzione del corpo umano.
• 1986: Sostanza non vivente usata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto un’interfaccia con un tessuto vivente (esclude gli organi trapiantati e sottolinea il fatto che ci deve essere un contatto tra il materiale e il tessuto). Ma non parla del fattore tempo.

Allora interviene la definizione operativa: un biomateriale è un materiale sintetico progettato per uso prolungato a contatto con mezzi biologici minimizzando le reazioni dell’organismo.

Affinché un materiale possa essere definito come biomateriale, esso dovrà possedere la caratteristica di biocompatibilità: la capacità che ha il materiale di determinare da parte di un sistema vivente una favorevole reazione alla sua presenza cioè non deve essere rigettato.

Le applicazioni si differenziano per il tempo o per il fatto che una di queste protesi potrebbe essere completamente impiantata, completamente esterni ma in contatto o parzialmente impiantati es cateteri e drenaggi.

Classificazione dei biomateriali

I biomateriali sono suddivisi in base alla loro composizione chimica in due macrocategorie ovvero metallici e non metallici.

I metallici a loro volta vengono divisi in ferrosi (acciai, le leghe, ferro) e non ferrosi (alluminio, zinco ovvero quelli che non contengono ferro).

I non metallici invece si suddividono in materiali organici (polimeri e non polimeri come legno o carbone) e inorganici (ceramici, ossido di alluminio, di magnesio, ossido di zirconio, silice).

È meglio però considerare una classificazione specifica ovvero si considera l’interazione tra il materiale e l’organismo.

1. Sulla base degli effetti prodotti dall’ambiente biologico sul biomateriale:
   • Biostabili (resistente all’interno dell’organismo)
   • Biodegradabili (nel tempo viene degradato o completamente demolito dall’organismo).
2. In base agli effetti prodotti dall’interazione del materiale con i tessuti circostanti:

2

• Bioinerti (nessun tipo di interazione con il tessuto circostante e non dà neanche effetti negativi)
• Biotossici (provoca reazioni avverse all’interno dell’organismo, dà tossicità)

3. Bioattivi (pensati per stimolare una certa risposta biologica nell’organismo, es stimolano la produzione di un certo tipo di cellule o la crescita dell’osso)
4. Bioriassorbibili (nel tempo vengono degradati per meccanismi biologici senza portare a danni dell’organismo, è anche biodegradabile e a volte potrebbe essere anche bioattivo)
5. Sulla base della loro composizione chimica:
   • Polimerici
   • Metallici
   • Ceramici
   • Compositi
   • Di derivazione biologica

Esempi di materiali bioinerti: titanio, tantalio, alluminio e zirconio (alla base dei materiali ceramici+) e leghe Co-Cr-Mo abbastanza bioinerti ma con il tempo potrebbero subire corrosione es di utilizzo nelle protesi al ginocchio che hanno causato tossicità.

Esempi di materiali biotossici: nichel che è un materiale cancerogeno, Cd è cancerogeno, V non è cancerogeno ma è tossico se si accumula nell’organismo, alcuni polimeri e acciai che corrodono e danno tossicità.

Esempi di materiali bioriassorbibili sono i materiali polimerici come il policaprolattone es utilizzati per i punti di sutura che poi vengono riassorbiti.

Materiali polimerici

I polimeri (45% del mercato) sono molecole di grandi dimensioni (macromolecole) formata dalla ripetizione di unità uguali o diverse chiamati monomeri. Hanno lunghe catene lineari, ramificate o reticoli tridimensionali.

Sono poco cristallini, in genere isolati, hanno bassa densità e basse temperature di decomposizione e rammollimento.

• Polimeri solidi: gommosi, amorfi e biocristallini. Buona compatibilità (usati in ortopedia, protesi e inneschi vascolari, costruzioni di interi organi artificiali come cuore e rene)
• Polimeri liquidi: gel, liquidi semi-solidi o liquidi (usati nelle lenti a contatto o nella chirurgia classica come riempitivi inerti insieme al silicone)
• Polimeri miscibili con acqua: diluenti e/o sostituenti del plasma sanguigno per regolare o ripristinare i parametri fisiologici del sangue.

Materiali metallici

I metalli (30% del mercato) sono caratterizzati da:

• Legami metallici;
• Elevata cristallinità, buoni conduttori di calore ed elettricità, buona resistenza ad alte temperature e sono duttili.

I più diffusi sono: acciaio inossidabile, leghe di cobalto, titanio e leghe di titanio (per modulare al meglio le proprietà meccaniche).

Sono utilizzati per protesi ed impianti ortopedici, pace-makers, impianti dentali e come parti di impianti e protesi come valvole cardiache.

Potrebbero però avere problemi di biocompatibilità: nel tempo possono rilasciare ioni potenzialmente tossici per l’organismo.

Materiali ceramici

I ceramici (5% del mercato biomedico):

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• Sono inorganici e possono essere costituiti da un insieme di elementi metallici e non metallici, ad esempio, il fosfato di calcio (che comprende calcio fosforo e ossigeno), hanno legami differenti alcuni ionici, altri covalenti
• Possono essere cristallini o amorfi, hanno elevata durezza, resistono ad alte temperature e sono estremamente fragili quindi non sono utilizzati per fare protesi.

I più usati sono vetro, ossido di alluminio, ossido di zirconio, fosfato di calcio, idruri, solfuri, carburi, grafite e diamante.

Vengono utilizzati per impianti ortopedici e otorino laringoiatrici, come riempitivi delle ossa e per uso odontoiatrico o coperture di protesi metalliche.

I materiali ceramici avanzati sono stati sintetizzati con particolari processi in modo da avere un livello di purezza eccezionale e quindi hanno particolari caratteristiche da un punto di vista della resistenza meccanica, resistenza termica, sono isolanti o materiali conduttori. Ad esempio l’alluminio.

Materiali compositi

I materiali compositi (15% del mercato) sono materiali formati dalla combinazione di due o più materiali che abbiamo visto finora per migliorare le caratteristiche meccaniche. Si richiede che i due materiali siano insolubili tra loro.

Sono formati da una matrice (materiale presente in quantità maggiore) all’interno del quale si trova l’altro materiale (rinforzo). Possono essere:

• Fibrosi (matrice contiene il secondo materiale come fibre)
• Particolati (matrice contiene secondo materiale come particelle)

I più usati sono fibre di vetro o carbonio in matrice a base di resine poliesteri o epossidiche. Vengono utilizzati per cementi compositi per le ossa (rinforzati con fibre di vetro acrilico) e tendini artificiali (con fibre di poli-idrossietil-metacrilato).

Materiali di derivazione biologica

I materiali di derivazione biologica (5% del mercato) sono in genere materiali naturali e sono in genere proteine o polisaccaridi e vengono applicati in ambito dermatologico o ingegneria tissutale.

I più usati: proteine naturali e polisaccaridi (collagene, gelatina, elastina, acido ialuronico).

Applicazioni: in dermatologia in combinazione con materiali sintetici, per ingegneria tessutale per ricostruire pelle, cartilagine, osso e vasi sanguigni

Esempi di problematiche dei biomateriali

Non sempre l’applicazione di un biomateriale va a buon fine, ed esempi di problematiche sono:

• Il tempo di vita (per le protesi soprattutto): dopo un 8-12 anni vanno rimosse e sostituite, ma la rimozione comporta la perdita di una certa quantità di osso quindi una protesi si può sostituire una volta sola.
• Possibile formazione di biofilm batterici all’interfaccia protesi/organismo: quando innesco una protesi nell’organismo alcuni microrganismi potrebbero andarsi a depositare sulla superficie della protesi, tra cui il più comune un batterio (lo stafilococco) e va a creare delle colonie, formando delle sacche praticamente impermeabile a qualsiasi tipo di antibiotico. Con il tempo questa infezione batterica potrebbe causare grossi problemi, portando quindi alla rimozione della protesi. Questo è importante per quanto riguarda quei biomateriali che non sono completamente inseriti nel corpo, ma in quelli parzialmente inserite al corpo per esempio cateteri.
• Mobilizzazione asettica degli impianti: lisi/degrado dei tessuti che circondano la protesi che avviene per causa meccanica.

Es protesi all’anca è fatta da un incontro di materiali differenti, di solito una coppa polimerica all’interno della quale viene inserita una sfera metallica, poiché essa è applicata ad una gamba lavora di continuo e c’è un continuo sfregamento tra i due materiali con durezze differenti e questo con il

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tempo genera una rimozione di piccole particelle di polimero che possono essere rilasciati nei tessuti circostanti e che l’organismo vede come qualcosa di estraneo e cerca di rimuoverli liberando enzimi che hanno il compito di aggredire queste particelle, andando a colpire però anche il tessuto sano causando necrosi a questi tessuti circostanti.

Legame chimico

1. Legami forti o primari:
   • Legame ionico
   • Legame covalente
   • Legame metallico
2. Legami deboli o secondari:
   • Legami dipolari (interazioni ione-dipolo o forze di van der Waals)
   • Legami a idrogeno

Legame ionico: attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta, in genere tra un metallo e non metallo. Il metallo cede elettroni al non metallo che ha alta affinità elettronica quindi si formano due specie cariche anione e catione con simmetria sferica e raggi ben precisi. Negli alcalini, dal litio verso il basso il raggio tende a