Riassunti Biomateriali

Analisi dinamico-meccanica: caratterizzazione proprietà viscoelastiche

Proprietà viscoelastiche: proprietà solidi elastici + proprietà fluidi newtoniani.

Reometro

Caratterizzazione della risposta di un materiale in condizioni di: sfasamento tra sforzo e deformazione di un 0° < δ < 90°.

• Flusso (rotazione continua)

e(t)= e₀ s(t)=s₀

Definendo una deformazione sin(vt) e il relativo sforzo sfasato sin(vt + δ) determino viscosità f(shear rate, T).

• Sollecitazione oscillatoria

s(t)=s₀ sin(vt)cosδ + cos(vt)sinδ

Determino E’, E” f(T, f, A), associabile ad un numero complesso E*= E’+E’’.

• Transitorio

Si ricavano due componenti: determino risposta di un campione sottoposto a sforzo costante (creep) e a deformazione costante (stress relaxation).

1. Componente puramente elastica (E’, storage modulus, modulo conservativo): energia immagazzinata.
2. Una componente dissipativa (E’’, loss modulus, modulo dissipativo): energia dissipata (generalmente per calore).

tanδ = E”/E’.

Tipologie di afferraggi

• Tension mode
• Compression mode
• Shear sandwich mode
• Dual cantilever mode
• Single cantilever mode
• 3 point bend mode

Flusso

1. Shear rate costante: misura della viscosità ad un valore di shear rate; controllo della dipendenza della viscosità dal tempo.
2. Rampa di shear rate o stress (a salire e/o scendere): misura della pseudoplasticità o dello shear thickening del campione; misura del limite di scorrimento.
3. Rampa di shear rate in regime stazionario.
4. Rampa di temperatura: dipendenza della viscosità dalla temperatura + tempo.

DMA

DMA: determinazione della variazione delle proprietà di un materiale in funzione di tempo, temperatura, frequenza.

• Rampa di temperatura (f e ampiezza costanti).

Output f(T)= E’(T) ed E’’(T).

Curve E’, E’’-T: E” picco + E’ calo T_g → E” picco + E’ calo T_g.

Curva tanδ-T: 1° picco max= T_g; 2° picco max= T_m; picchi bassi: transizioni secondarie e rilassamenti.

• Rampa di frequenza (t e ampiezza costante).

Output f(f)= E’(f) ed E’’(f).

Creep/recovery: deformazione monitorata nel tempo; sollecitazione istantanea in t₁ e mantenuta costante; sforzo portato a 0 a t₂.

Stress relaxation/recovery: sforzo monitorato nel tempo σ(t); deformazione istantanea e mantenuta costante.

Oscillazione

1. Time sweep: sollecitazione con F, T ed f costanti. Scopi: misura della stabilità di un materiale; studi di reticolazione; evaporazione di solventi.
2. Strain/stress sweep: sollecitazione con F crescente, T ed f costanti.
3. Frequency sweep: sollecitazione F, ampiezza e T costanti, rampa di f. Scopi: misura della dipendenza proprietà viscoelastiche dalla f; analisi struttura di gel.
4. Rampa di temperatura con f e ampiezza costanti: determinazione della T_g e delle transizioni di ordine superiore; studi di reticolazione indotti dal calore; studio della dipendenza delle proprietà visco-elastiche dalla temperatura.

Il campione è sottoposto ad uno sforzo (o deformazione) che varia nel tempo (sinusoide); la risposta del campione analizzata in termini di ampiezza e di sfasamento rispetto alla forzante.

Analisi reologiche

Analisi reologiche: risposta del materiale ad uno stress in termini di:

• Shear rate (velocità di rotazione).
• γ strain (ampiezza di oscillazione).

Studio della relazione tra sforzo e deformazione: lineare o non lineare?

Misurare i parametri viscoelastici.

Parametri

• Modulo complesso G*: comportamento generale del materiale.
• Modulo conservativo G’: legato al comportamento elastico; capacità del materiale di accumulare l’energia della forzante sotto forma di deformazioni elastiche (reversibili).
• Modulo dissipativo G’’: capacità del materiale di dissipare l’energia della forzante attraverso il calore e deformazioni permanenti (scorrimento).
• Tan δ: tangente dell’angolo di sfasamento.

MODULO G = VISCOSITÀ = !"#$%# !"#$%#h &'"#$()%*#+' !-')$ $).'

Dg₀(.)g g deformazione= shear rate== = deformazioni elastiche (reversibili) D3 .4

Coppia e stress= misurare la coppia applicata al rotore; forzo è proporzionale alla coppia a meno di una costante che dipende dalla geometria del sistema.

s = K · M eta= G*/omegas

Misurata viscosità complessa η* (componente conservativa + dissipativa).

Scostamento angolare e strain: misurare / controllare le variazioni angolare; deformazione (normalmente espressa come deformazione percentuale): proporzionale all’angolo a meno di una costante che dipende dalla geometria.

g=K q·g s5∕7s = = DEFINIZIONE DI MODULO q g §∕7g

Velocità angolare e shear rate: proporzionale alla velocità angolare a meno di una costante che dipende dalla geometria.

v 1. ∕ Ω g = g → s; ∕<

2. s h= = DEFINIZIONE DI VISCOSITÀ: Ω g∕< g

Resistenza interna di un fluido allo scorrimento.

Zona viscoelastica lineare (LVR): range di strain nel quale la risposta del campione è lineare, ossia in cui i valori dei moduli G’ e G’’ sono costanti al variare della ampiezza di oscillazione.

Transitorio

1. Stress relaxation: deformazione istantanea e mantenuta; monitorato lo stress esercitato dal campione e calcolato il modulo di rilassamento, rapporto tra lo stress e la deformazione.
2. Creep – recovery: stress istantaneo e costante per un intervallo e poi rimosso; monitorata la deformazione del campione durante l’applicazione e rimozione dello stress.

Geometrie possibili

• Cilindri concentrici.
• Cono e piatto: geometria con le costanti di conversione più semplici; liquidi senza particelle disperse o dispersioni / emulsioni con particolato molto piccolo; shear rate omogeneo su tutto il raggio; necessita poco campione (circa 1 ml); permette di misurare sistemi a bassa / bassissima viscosità.
• Piatti paralleli: campioni molto viscosi e analisi di sospensioni con grande particolato.
• Torsione rettangolare.

Analisi DMA e analisi reologica

Rampa di temperatura.

Analisi DMA. Output: curve E’(T) ↓ calo + E’’(T) ↑ picco; tanδ max → picco.

Analisi reologica. Output: curve G’(T) ↓ calo + G”(T) ↑ picco; tanδ max → picco.

Viscosità: prova di flusso η(S, T); shear rate costante, t; rampa di T → η(T).

E’ ed E”: rampa di temperatura → E*(T).

Rampa di frequenza → E*(f).

Influenza comportamenti elastico e viscoso.

Creep-recovery e stress-relaxation.

Deformazione residua: creep-recovery; stress-relaxation; variazione dimensionale nei cicli di prova, prove a trazione cicliche; area di isteresi (se presente), deformazione su provini ad anello residua.

Mastoplastica ricostruttiva

Ricostruzione mammella → procedura a due stadi:

1. Espansore tissutale: guscio espandibile; silicone; superficie texturizzata; valvola integrata a remota; graduale riempimento con soluzione fisiologica; periodo 6-18 mesi.
2. Protesi:

• Superficie esterna: liscia, texturizzata rivestita con schiuma PU.
• Riempimento: olio di soia, hydrogel, soluzione salina, gel di silicone, gel silicone + soluzione salina.
• Guscio: silicone PDMS reticolato.

Texturizzazione: processo industriale irregolare → superficie.

Limitare la formazione di capsula fibrotica → prima coating PU, risposta infiammatoria non fisiologica; oggi → struttura a pori aperti: bombardamento con cristalli di NaCl.

Protesi con riempimento in olio di soia

Failure/Fallimenti: incidenza tumore = 1 su 41 milioni di protesi impiantate.

Valvola di riempimento a diaframma + micro ricetrasmettitore* in gel di silicone.

*Per identificazione non invasiva durante le visite.

Svantaggi:

• Degradazione olio di riempimento.
• Prodotti di degradazione diversi da quelli ipotizzati.
• Rottura guscio (> 10%).
• Aumento incidenza contrattura capsulare.

Microthane® / MPS

Schiuma di microPU vulcanizzata su superficie impianto (spessore schiuma ≈ 2 mm).

Il tessuto cresce attivamente nella schiuma → contrattura fibre di tessuto molle non causa indurimento o deformazione dell'impianto.

Dalle analisi: tessuto ben vascolarizzato e molle, percentuale di contrattura capsulare dello 0–3% contro una percentuale dal 9 al 50% con altri tipi di superficie.

4 caratteristiche principali: volume, proiezione, altezza, larghezza o base.

Protesi PVP-based (Hydrogel)

1° generazione: aumento volume per swelling.

Complicazioni

Breve termine: ematoma infezione