Appunti Tecnologie dei materiali

Tecnologie dei materiali lezione 1, 21 settembre 2022

Un materiale è tutto ciò che ci circonda. Un materiale è un aggregato di atomi o molecole che ha specifiche proprietà chimiche, fisiche e meccaniche e viene utilizzato per la realizzazione degli oggetti.

Perché l'ingegnere biomedico ha bisogno di un materiale?

Il corpo umano può essere considerato come un ambiente estremo: può facilitare la corrosione, la degradazione dei polimeri ecc. Il biomateriale è una sostanza sistematicamente e farmacologicamente inerte (non reagisce a livello dell'organismo) che è progettata per l'impianto nei sistemi viventi. Le caratteristiche del biomateriale vengono ridefinite ogni volta.

Il biomateriale è ogni sostanza o combinazione di sostanze di origine sintetica o naturale (collagene) diversa da un farmaco che può essere impiegata per qualsiasi periodo di tempo, da solo o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo.

Diventa un materiale in cui si prevede un'interfaccia con i sistemi biologici allo scopo di valutare, trattare, migliorare o sostituire qualsiasi organo o funzione del corpo umano. Nel 2005 la European Society of Biomaterials dice che è un materiale destinato ad interfacciarsi con sistemi biologici (corpo umano) come parte integrante di un processo finalizzato a valutare, monitorare o trattare i tessuti del corpo, sostituire e aumentare i tessuti o facilitare la rigenerazione dei tessuti.

Requisiti dei biomateriali

Uno dei requisiti cardine dei biomateriali è la biocompatibilità: il "the Williams Dictionary of Biomaterials" definisce la biocompatibilità come la "capacità di un biomateriale di comportarsi con una risposta appropriata del sistema ospite in una specifica applicazione".

Williams su una rivista definisce la biocompatibilità come "la capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto ad una terapia medica, senza suscitare effetti locali o sistemici indesiderati nel ricevente o nel beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta cellulare o tissutale benefica più appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando le prestazioni clinicamente rilevanti di tale terapia".

Esistono delle norme e dei modelli sperimentali ben specifici per valutare la biocompatibilità, che può essere valutata tramite:

• Cultura cellulare: culture di cellule che vengono messe a contatto con il materiale stesso e si vede la risposta (es. risposta a fenomeni infiammatori);
• Valutazione in vivo: per vedere come risponde un sistema vivente e non le singole cellule.

Quando un biomateriale viene a contatto con l'organismo si ha un'interazione tra i due, e questa provoca effetti che possono avvenire sia sul materiale stesso (es. corrosione) sia sull'organismo stesso (es. morte della cellula).

Classificazione biomateriali

In base all'interazione con l'organismo, i biomateriali si classificano in:

• Biotossico (caso peggiore): il tessuto a contatto con il biomateriale perde vitalità e muore;
• Bioinerte (caso migliore): si forma un tessuto proteico fibroso (sacca proteica) di spessore variabile intorno al materiale. Rimane separato dai tessuti biologici;
• Bioattivo: si ha la formazione di un'interfaccia con connessioni tissutali tra materiale e tessuto biologico. Facilita l'integrazione del materiale;
• Biodegradabile: l'organismo è in grado di degradare il materiale, i cui prodotti devono essere non tossici, e di sostituire gradualmente il materiale (es. punti riassorbibili).

Tipi di materiali usati come biomateriali

I materiali usati come biomateriali sono: metallici, polimerici, ceramici, compositi o di origine biologica. La scelta di un materiale dipende dal campo di applicazione, dai requisiti che si richiedono al materiale, dalla vita che deve avere l'oggetto nel corpo umano.

Scienza dei materiali

La scienza dei materiali è una conoscenza sia della struttura che delle proprietà del materiale. La tecnologia dei materiali si occupa dell'aspetto applicativo dei materiali. Avere il materiale giusto per un'applicazione è estremamente importante. È un campo dinamico. La composizione chimica e struttura danno determinate proprietà: l'insieme di composizione (ingredienti del materiale), disposizione all'interno del materiale (struttura) e proprietà del materiale stesso sono legati tra loro.

Dal progetto al prodotto

Il progetto coinvolge una serie di aspetti che non vanno trascurati:

• Necessità di mettere sul mercato l'oggetto da progettare;
• I requisiti che l'oggetto deve avere;
• Capire quali sono gli utilizzatori;
• Costo finale;
• Forma e dimensioni.

Si deve avere un disegno. Per realizzare il progetto devono essere scelti i materiali, sulla base di:

• Requisiti del prodotto;
• Forma e dimensioni;
• Tecnologie di produzione: ovvero le operazioni primarie e secondarie per produrre il pezzo finito ed eventuale assemblaggio, dipendono da tutte le altre caratteristiche per la scelta del materiale;
• Costo finale del prodotto;

Non esiste un materiale giusto in assoluto, ma esiste un materiale giusto per una determinata applicazione. I materiali si distinguono in: metallici, ceramici, polimeri e compositi.

Si può scegliere un materiale in base a:

• Proprietà meccaniche: modulo di elasticità, resistenza allo snervamento, alla trazione, tenacità alla frattura, resistenza a fatica, resistenza allo scorrimento viscoso, resistenza alla fatica termica;
• Proprietà fisiche: densità, proprietà termiche, elettriche, magnetiche, ottiche;
• Proprietà di superficie: resistenza alla corrosione, all'ossidazione, all'usura, rugosità;
• Proprietà tecnologiche: deformabilità a caldo e a freddo, lavorabilità alle macchine utensili, colabilità, saldabilità.

"La forma segue il materiale": non si può forzare il materiale a fare quello che non è in grado di fare, ovvero c'è una specificità del materiale che si impiega con la forma dell'oggetto.

Ciclo dei materiali

Il ciclo dei materiali comprende una serie di operazioni che permettono l'estrazione del materiale e la sua lavorazione per arrivare al materiale che poi si va ad utilizzare nel progetto.

Lezione 2, 22 settembre 2022

Considerazioni per realizzare una protesi

Le prime considerazioni da fare quando si deve realizzare una protesi sono:

• Sostenere chi cammina, occorre che il materiale abbia sufficiente rigidezza (modulo di elasticità);
• Non rompersi ovvero il materiale deve essere tenace ovvero deve essere in grado di assorbire sollecitazioni;
• Essere leggera che corrisponde alla densità;
• Non deve dare una sensazione spiacevole nella sensazione di calore entrano in gioco le proprietà termiche del materiale;
• Deve resistere nel tempo, quindi, entra in gioco la durabilità;
• Costo nel quale incidono il progetto, i materiali che si scelgono e le tecnologie di lavorazione.

Proprietà dei materiali

Le proprietà del materiale sono:

• Densità: valori alti per metalli, un po’ più bassi per i ceramici e molto bassi per i polimeri;
• Modulo elastico o di Young: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea (valori alti per metalli, ancora più alti per ceramici e più bassi per i polimeri);
• Conduttività o conducibilità elettrica: misura della facilità di conduzione della corrente elettrica (alta per i metalli, più bassa per i ceramici e ancora più bassa per i polimeri);
• Conduttività termica: misura della facilità di conduzione del calore (i metalli sono ottimi conduttori di calore, i ceramici un po’ meno e bassa nei polimeri);
• Coefficiente di espansione termica: importante per gli accoppiamenti (i polimeri tendono ad espandersi di più rispetto ai metalli e ancora di più rispetto ai ceramici);
• Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido (abbastanza alta per i metalli, molto alta per i ceramici, decisamente bassa per i polimeri).

Le proprietà dipendono dalle varie classi dei materiali e da come sono fatti i materiali. Il comportamento macroscopico di un oggetto dipende dalla forma dell'oggetto e dalla struttura a livello atomico. I materiali sono costituiti da atomi (costituiti da un nucleo in cui sono presenti protoni e neutroni, circondati da elettroni con carica negativa). Gli elettroni si trovano su orbitali elettronici e possono avere diversa geometria (entra in gioco nel legame chimico).

Gli orbitali elettronici possono avere solo specifici valori dell’energia, ovvero l’energia degli elettroni è quantizzata. Gli elettroni che occupano gli orbitali più esterni prendono il nome di elettroni di valenza. In ciascun orbitale possono stare soltanto due elettroni con un numero quantico di Spin diverso.

Legame chimico

Gli atomi che non hanno l’ottetto tendono a formare un legame chimico. Molte proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche. Quando si forma un legame l’energia dell’aggregato è più bassa di quella degli atomi separati e quindi da un punto di vista termodinamico formare un legame è favorevole. Gli aggregati che si formano hanno proprietà e caratteristiche differenti dagli atomi costituenti. Quando si spingono due atomi ad avvicinarsi entrano in gioco due forze: una forza attrattiva ed una ripulsiva. La forza totale è data dalla somma di queste due forze. Esiste un valore della distanza per cui la somma delle forze si annulla ovvero la forza attrattiva bilancia quella repulsiva. Questa è la condizione di equilibrio.

In termini di energia si ottiene un grafico dell’energia in funzione della distanza in cui al valore della distanza per cui ho l’equilibrio corrisponde al minimo della curva del potenziale. Il valore dell’energia corrisponde all’energia di legame ovvero l’energia che si deve fornire per separare gli atomi e portarli ad una distanza infinita. Gli atomi non stanno fermi in quella posizione ma tendono a vibrare e oscillare intorno alla posizione di equilibrio. Maggiore è la temperatura e maggiori saranno le oscillazioni e la distanza che tendono ad assumere.

Le considerazioni su forza ed energia hanno un risvolto sulle proprietà macroscopiche del materiale:

• Modulo elastico: a livello atomico quando si sollecita un oggetto, la sollecitazione viene trasmessa agli atomi;
• Coefficiente di espansione termica: riscaldando i materiali questi tendono ad espandersi ed aumentare il loro volume;
• Temperatura di fusione: viene fornita energia per rompere il legame e permettere di passare da solido a liquido.

I legami si dividono in:

• Legami forti o primari: ionico, covalente e metallico;
• Legami deboli o secondari: forze di Van der Waals e legame a idrogeno.

Legame ionico

Si ha quando entrano in gioco atomi con bassa energia di ionizzazione e atomi con elevata affinità elettronica. Questo comporta che gli elettroni vengono ceduti da un atomo all'altro e si ha la formazione di ioni positivi o negativi. Ogni ione è legato a tutti gli ioni di segno opposto, vicini e lontani si ha un trasferimento di elettroni ed è un legame non direzionale. Ioni di segno opposto di attraggono e ioni di stesso segno si respingono. Questo condiziona la disposizione degli ioni nello spazio: a parità di dimensione dello ione negativo, a seconda della dimensione dello ione positivo si può avere stabilità o meno. A seconda della dimensione relativa tra cationi e anioni si può ottenere delle geometrie ben precise. Avere diverse geometrie condiziona la densità del materiale.

Comportamento meccanico nel caso ionico: quando si deforma un materiale nel caso del legame ionico si spostano piani di ioni. Se si sposta la fila superiore di ioni rispetto a quella di sotto in modo orizzontale, si fa in modo che lo ione si sposti di una posizione e vada ad avvicinarsi ad uno ione dello stesso segno: il risultato macroscopico è la rottura. Se si spostano gli ioni in modo obliquo, il legame si rompe e poi si riforma. In certe direzioni il solido ionico non è deformabile e quindi si rompe, mentre in altre direzioni si può deformare plasticamente in modo permanente. Il materiale ha quindi caratteristiche di fragilità. Le energie di legame sono abbastanza elevate e queste comportano temperature di fusione che sono relativamente alte.

Riassumendo quindi:

• Energia di legame alta, ovvero la forza del legame è elevata;
• Non ci sono ioni liberi: materiale isolante elettrico e termico;
• Disposizione degli ioni vincolata nello spazio;
• Bassa densità;
• Materiale duro con caratteristiche di fragilità.

Legame covalente

Siamo in presenza di atomi che hanno la stessa tendenza a prendere e cedere elettroni, ovvero hanno valori circa uguali di affinità elettronica e di potenziale di ionizzazione. Gli elettroni tendono ad essere condivisi da due nuclei andandosi a disporre su orbitali comuni sugli atomi. Si formano orbitali molecolari.

Se gli orbitali hanno una forma simmetrica le cose vanno bene, ma se sono fortemente orientati nello spazio le cose si complicano. Gli orbitali per combinarsi devono avere più o meno energia dello stesso ordine, si devono poter sovrapporre e devono poter avere caratteristiche di simmetria analoghe. Il legame è quindi direzionale, se viene rotto si riforma con grande difficoltà.

Il carbonio forma orbitali ibridi, ovvero hanno forma intermedia tra orbitali s e p (sp, sp² e sp³). Il legame covalente ha alte energie di legame, quindi elevate temperature di fusione, sono isolanti elettrici e termici, hanno una bassa densità, sono duri e fragili.

Legame metallico

Si hanno atomi così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi. Si creano ioni positivi circondati da un "mare" di elettroni che si possono muovere liberamente nel cristallo. Il legame non è direzionale. Gli elettroni liberi fanno da schermo e da collante. Si può avere deformabilità del materiale elevata perché grazie all'effetto schermo-collante si possono far scorrere piani di ioni gli uni rispetto agli altri senza distruggere completamente il legame. La densità è alta ed è dovuta alla presenza degli atomi di metalli che hanno un' elevata massa con spazio libero ridotto.

L'energia di legame è relativamente alta (più bassa rispetto agli altri), ha una temperatura di fusione abbastanza alta, è un conduttore elettrico e termico, ha un'alta densità ed è un materiale deformabile.

Legami deboli

Sono legami dipolari. Gli atomi sono globalmente neutri e hanno una distribuzione simmetrica delle cariche, ma ci possono essere situazioni in cui non si ha simmetria di carica e si forma un dipolo (es. gas nobili). Si può avere la formazione di dipoli permanenti all'interno di molecole in cui si crea un eccesso di carica positiva da una parta e un eccesso di carica negativa dall'altra. Si crea un legame dato da forze di tipo elettrostatico. I batteri possono aderire alla superficie dei biomateriali attraverso le forze di Van der Waals. Se la superficie del materiale è molto liscia i batteri aderiscono bene e formano il biofilm, diventando resistenti agli antibiotici. Si ha bassa energia di legame e quindi bassa temperatura di fusione, non ci sono elettroni liberi.

Legame ad idrogeno

È un legame covalente tra atomi molto piccoli e molto elettronegativi (ossigeno, azoto, fluoro, cloro) e idrogeno. Gli atomi elettronegativi tendono a trattenere l'elettrone dell'atomo di idrogeno e si crea una distribuzione asimmetrica della carica. È mediamente più forte del legame dipolare, quindi dove si stabilisce si hanno materiali più resistenti.

Lezione 3, 28 settembre 2022

Struttura cristallina

In una struttura cristallina le proprietà sono fortemente condizionate dalla direzione. Un singolo cristallo ha proprietà anisotrope, in cui la risposta del materiale dipende dalla direzione di applicazione della sollecitazione. Un materiale amorfo ha proprietà isotrope, in cui il comportamento del materiale non dipende dalla direzione di applicazione della sollecitazione. La struttura cristallina è formata da cristalli, ovvero architetture in cui gli atomi sono disposti in maniera regolare e periodica nello spazio per una distanza molto maggiore della distanza interatomica. La dimensione di un cristallo varia tra il micron e un centinaio di micron. La ripetizione della stessa disposizione di atomi per un certo numero di volte forma la cella elementare.

La cella elementare ha due ruoli fondamentali:

• Dare la geometria;
• Individuare la posizione degli atomi all'interno della struttura geometrica.

La cella elementare non ha una posizione fissa nello spazio perché nella realtà gli atomi vibrano ed oscillano intorno alla posizione di equilibrio. I reticoli di Bravais descrivono i cristalli presenti in natura attraverso sette sistemi cristallini e quattro tipi fondamentali di disposizione degli atomi.

Si possono avere:

• Cristallo cubico a corpo centrato: si ha un atomo aggiuntivo al centro del cubo. Consente un maggiore impaccamento degli atomi, ovvero contente di abbassare l'energia del sistema e quindi essere migliore dal punto di vista termodinamico. Gli atomi occupano il 68% dello spazio;
• Cristallo cubico a facce centrate: al centro di ciascuna faccia si ha un atomo aggiuntivo. Consente di avere il massimo impaccamento di atomi (tutti della stessa dimensione). Gli atomi occupano il 74% dello spazio;
• Cristallo esagonale compatto: è un esagonale, con un atomo al centro dell'esagono e tre atomi a metà del prisma. È una struttura ad alto impaccamento, infatti gli atomi occupano il 74% dello spazio disponibile.

La struttura cubica a facce centrate e quella esagonale compatta hanno lo stesso fattore d’impaccamento (74%). Questo perché hanno i primi due piani di atomi uguali e poi si differenziano nel terzo piano.