Domande capitate all’esame di Biomateriali

Scansione SEM: cosa si può dedurre dalle superfici di rottura, quale dei due materiali è più rigido, motivare la risposta

La rigidezza di un materiale indica la resistenza di esso alla deformazione elastica sotto un carico. Un materiale duttile o fragile può essere più o meno rigido.

La superficie del duttile è corrugata, costituita da piccoli avvallamenti, transgranulare.

La superficie del fragile è liscia, trans o intergranulare.

Altra differenza tra le superfici di rottura di un materiale duttile e un materiale fragile è che nel fragile le superfici di rottura coincidono mentre in quello duttile no perché prima di arrivare a rottura è caratterizzato da deformazione permanente. Nonostante questo, una superficie di rottura di un materiale duttile potrebbe assomigliare a quella di un materiale fragile se il duttile è sottoposto a cicli di stress.

La meccanica della frattura è spiegata da Griffith. Parte dal presupposto che la resistenza meccanica effettiva dei materiali è notevolmente più bassa della resistenza teorica di 100 o addirittura 1000 volte. Secondo Griffith questa discrepanza è data dal fatto che non siamo in presenza di solidi ideali e quindi sono presenti dei difetti in cui si vanno a creare delle sollecitazioni localizzate molto più potenti dello sforzo a cui un corpo è solito essere sottoposto.

Per capire quanto più è intensificato lo sforzo si calcola proprio il coefficiente di intensificazione degli sforzi K = sforzo nominale per radice quadrata di pi greco per l’ampiezza del difetto. Quindi tanto più è grande il difetto, tanto più è grande lo sforzo tanto più questo sarà intensificato. Un esempio di applicabilità di questo coefficiente è la microcricca.

Gioca un ruolo importante anche lo spessore del provino, se siamo sopra un determinato spessore critico ci troviamo in condizioni di deformazione piana con una tenacità a frattura costante, sotto uno spessore critico ci troviamo in condizioni di sforzo piano con tenacità che varia.

In caso di deformazione piana vicino all’indice di intensificazione degli sforzi ci sono tre numeri romani, in base al tipo di deformazione che si ha:

• Opening mode: la deformazione è perpendicolare alla direzione di sforzo.
• Sliding mode: c’è uno scorrimento.
• Tearing mode: deformazione a strappo.

Microscopio SEM

Il microscopio SEM che ha fornito le informazioni su queste superfici analizzate è basato sull’uso di un segnale dato dall’emissione di:

• Elettroni retrodiffusi (info su composizione).
• Elettroni secondari (info su morfologia).
• Elettroni Auger e/o raggi X (info composizione).

Quindi l’immagine è riconosciuta dall’interazione della materia con il fascio di elettroni. Il campione è inserito in una camera dove si crea il vuoto e si vanno a studiare gli elettroni che retro-diffondono ciò che hanno colpito.

Il microscopio elettronico è formato da un cannone di elettroni che emette un fascio di elettroni primari. Poi ci sono delle lenti elettroniche che concentrano gli elettroni sul campione. Angolando il fascio posso creare zone di luce e ombra ricostruendo la superficie del materiale.

Poi c’è la scansione (SEM) per avere un’immagine ad alta risoluzione.

Gli elettroni una volta incontrato il materiale, danno vita ad un fascio di elettroni secondari, questo viene raccolto da rilevatore e proiettato su schermo fluorescente dove vengono raccolte le immagini.

Il campione per essere analizzato dal microscopio elettronico SEM deve essere reso conduttivo, per questo viene ricoperto con la grafite o oro.

La tecnica di rivestimento è lo scattering elettronico: campana di vetro con sotto i campioni e sopra una foglia d’oro e sotto i campioni. La foglia viene colpita dagli ioni dati dall’alimentazione della campana con un gas inerte. Gli ioni colpiranno la foglia e cadranno per gravità sui campioni, ricoprendoli completamente.

Proprio per la sua elevata risoluzione il microscopio SEM è indicato per andare ad analizzare le superfici di frattura in modo che si possa vedere dove c’è stato l’innesco e le morfologie di corrosione.

Metodi di sterilizzazione batterica, quale è il più efficace

Un prodotto se deve essere messo a contatto con il corpo umano, fin da quando viene creato fino alla sua apertura deve essere decontaminato da tutti i microrganismi quindi esposto a processi di sterilizzazione.

La sterilizzazione con metodi fisici è quella usata per gli oggetti a contatto con il paziente.

La sterilizzazione con metodi chimici è quella usata invece per il personale perché le sostanze chimiche difficilmente sono sterilizzanti, al massimo sono per lo più antibatteriche quindi potrebbero essere tossiche o comunque non eliminare del tutto i microrganismi.

La sterilizzazione è un processo normato e può avvenire in tre principali tecniche:

1. In autoclave a vapore.
2. Con le radiazioni.
3. Con l’etilene.

1. È possibile applicare pressione in modo tale da sterilizzare gli oggetti a temperature alte, un po’ limitata a quegli oggetti che con alte temperature non si deformano. Il tempo necessario per far rimanere un oggetto nell’autoclave è determinato dalla formula = −0 T è la temperatura alla quale il campione da sterilizzare è posto, t il tempo, n è la carica di microrganismi presenti all’istante iniziale (0) e all’istante finale (t). Quindi più è alta la temperatura e più sarà efficace.

Per un dispositivo medicale solitamente si sterilizza a 121° per 15 minuti, perché con la formula precedente si ha che a 121° in circa 3 minuti e mezzo si eliminano il 97% dei microorganismi, facendo più cicli per più tempo, si è sicuri di eliminare il 100% dei microorganismi.

2. Mediante radiazioni che possono essere di due tipi:

• Ionizzanti: con bassa lunghezza d’onda, sterilizzano approfonditamente grazie al potere ionizzante.
• Non-ionizzanti: con alta lunghezza d’onda, è una sterilizzazione più superficiale.

Rispetto alla sterilizzazione in autoclave è più vantaggiosa perché innanzitutto i materiali non si deteriorano per la temperatura, è possibile un utilizzo immediato del materiale dopo la sterilizzazione, non lascia residui, l’unico svantaggio è che è più costosa e richiede strumenti appositi.

3. Con l’etilene, ma in realtà non viene molto più utilizzata perché l’etilene è un materiale tossico che viene diluito anche in sostanze altrettanto nocive come CO². Inoltre, entrando a contatto con i dispositivi per sterilizzarli doveva esserci poi un periodo di decontaminazione quindi questo processo è pure caratterizzato da tempi lunghi e costi elevati. Il più svantaggioso.

Grafico sforzo-deformazione

Il grafico sforzo-deformazione mette appunto in relazione lo sforzo applicato (ordinate) con la deformazione che ne consegue (ascisse). Lo sforzo è la pressione applicata su un corpo, quindi, è dato da forza/superficie. La deformazione è la risposta di un corpo quando viene sollecitato meccanicamente. Solitamente è calcolato secondo la lunghezza, in una compressione o trazione la deformazione è data da delta L su L, mentre per uno sforzo di taglio è data dalla tangente dell’angolo di taglio.

In esso si possono evidenziare due principali zone:

• Zona della deformazione elastica.
• Zona della deformazione plastica.

Le due zone sono separate da un valore: la tensione di snervamento. La tensione di snervamento è l’esatt