Appunti dettagliati di Biomateriali

CRITERI DI SCELTA DEL MATERIALE

Scienza dei materiali

La scienza dei materiali studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro proprietà.

Ingegneria dei materiali

L’ingegneria dei materiali si occupa della progettazione della struttura di un materiale per ottenere

determinate proprietà sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà del materiale stesso.

Tecnologia dei materiali

La tecnologia dei materiali è lo studio dell’applicazione e dell’impiego dei materiali con particolare

riferimento ai processi di produzione e trasformazione delle materie prime in prodotto finito.

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza dei materiali

Conoscenza di base dei Scienza e tecnologia dei materiali

materiali. Conoscenza risultante di struttura, proprietà,

lavorazioni e comportamento dei materiali

Tecnologia dei materiali per applicazioni in ingegneria.

Conoscenza di base delle

tecniche di lavorazione

dei materiali. truttura

S

Scienza dei materiali Meccaniche

Proprietà Fisiche

Chimiche

Comportamento

Lavorazione Servizio

Tecnologia dei materiali Ambiente

Struttura dei materiali

La materia è tutto ciò che ha massa ed è composta da più molecole legate insieme, che a loro volta

sono formate da atomi.

MATERIA MATERIALE APPLICAZIONE PROPRIETÀ SCELTA

secondo criteri

industriali

sociali

economici

Stati di aggregazione della materia

La materia può assumere tre diversi stati: solido, liquido e gassoso.

Stato solido Stato liquido Stato gassoso

La forma è costante, La forma è variabile (la La forma è variabile (la

FORMA rigida e fissa. stessa del contenitore). stessa del contenitore).

Il volume è variabile (lo

Il volume è costante. Il volume è costante.

VOLUME stesso del contenitore).

Le particelle si

Le particelle sono Ogni particella si muove

muovono, ma

fortemente legate fra indipendentemente dalle

PARTICELLE interagiscono tra di

loro. altre.

loro.

Passaggi di stato

La materia può cambiare stato grazie ai passaggi di stato, che possono essere:

Fusione

▪ → dallo stato solido a quello liquido;

Evaporazione

▪ → dallo stato liquido a quello gassoso;

Condensazione

▪ → dallo stato gassoso a quello liquido;

Solidificazione

▪ → dallo stato liquido a quello solido;

Sublimazione

▪ → dallo stato solido a quello gassoso;

Brinamento

▪ → dallo stato gassoso a quello solido.

Proprietà dei materiali

I materiali presentano tre tipi di proprietà:

Proprietà chimico-fisiche → si riferiscono alla struttura chimica ed al loro aspetto

esterno;

Proprietà meccaniche → si riferiscono alla capacità di resistenza alle sollecitazioni

esterne;

Proprietà tecnologiche → si riferiscono al comportamento dei materiali durante le

lavorazioni.

Proprietà chimiche

Il comportamento di un materiale, sia durante la lavorazione che in servizio, dipende dalla sua

costituzione, ossia dall’insieme di composizione chimica, struttura cristallina, morfologia delle fasi che

lo costituiscono e loro distribuzione.

Ogni processo chimico, sia esso deliberato o dovuto all’azione dell’ambiente (dissoluzione,

ossidazione, corrosione), in grado di modificare la costituzione del materiale, induce delle

trasformazioni, che possono essere spontanee o forzate (indotte da T, P).

Le proprietà chimiche a loro volta possono essere:

• →

Proprietà termochimiche studio degli scambi di calore durante le reazioni chimiche;

• →

Proprietà chimico-strutturali studio della composizione chimica e struttura interna dei

materiali.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche si riferiscono alle caratteristiche generali dei materiali, in relazione agli agenti

esterni.

La densità, la porosità e la granulometria, misurano il comportamento sotto l’azione della temperatura

(fusione, comportamento al fuoco) ma si possono valutare anche l’azione delle radiazioni (luce) e di

campi elettrici o magnetici.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche si riferiscono al comportamento del materiale a seguito dell’applicazione di

un sistema di forze (peso, vento, sfregamento) ed hanno un ruolo primario per materiali destinati ad

applicazioni strutturali.

Le proprietà meccaniche possono essere:

• Indipendenti dal tempo:

o Resistenza

o Rigidezza

o Duttilità

o Tenacità

o Durezza

• Dipendenti dal tempo:

o Resistenza ad usura e abrasione Valutazione tramite prove di

o Scorrimento viscoso (creep) lunga durata o prove accelerate

o Fatica

CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

Materiali metallici

I materiali metallici sono sostanze inorganiche (senza carbonio) composte da uno o più elementi

metallici (Fe, Al, Ti, ecc.), che possono però contenere anche alcuni elementi non metallici (N, O).

Essi sono composti da uno (metallo puro) o più elementi metallici miscelati tra loro (lega). Vengono

utilizzate le leghe perché legando il ferro con un percentuale di carbonio inferiore al 2%, riesco a

superare le problematiche che avrei con un metallo puro. In seguito ad una corrosione (ad esempio

con il sangue) il metallo si deteriora, quindi, diventando cavo, non è più strutturale. Il titanio è il

materiale metallico maggiormente compatibile con il nostro corpo perché è un materiale inerte (non

reagisce con i tessuti circostanti).

In base alla composizione, i materiali metallici vengono suddivisi in metalli ferrosi (ferro, acciai, ghise)

e metalli non ferrosi (alluminio, rame, ottoni, ecc.) e sono soggetti a corrosione (eccetto Au).

I materiali metallici presentano una struttura cristallina in cui gli atomi sono disposti in modo regolare

nello spazio e vengono utilizzati per produrre le protesi perché sono materiali strutturali (presentano

buone caratteristiche meccaniche).

I materiali metallici presentano molte proprietà:

▪ Sono buoni conduttori del calore e dell’elettricità (questa proprietà non è positiva in ambito

biomedico perché durante gli esami diagnostici sono fastidiosi);

▪ Sono dotati di lucentezza “metallica” superficiale (almeno fino a quando non subentra

l’ossidazione o fino a quando non vengono verniciati);

▪ Hanno buona resistenza meccanica e tenacità;

▪ Sono facilmente modellabili per lavorazione plastica a caldo e a freddo;

▪ Sono dotati in generale di elevato peso specifico (tranne il titanio e l’alluminio che sono metalli

leggeri).

Materiali ceramici

I materiali ceramici sono sostanze inorganiche costituiti da elementi metallici e non metallici legati

chimicamente tra loro (ossidi e/o silicati), sono soggetti a shock termici e fragilità e sono

maggiormente utilizzati per le teste femorali.

I materiali ceramici presentano molte proprietà:

▪ Sono duri ma fragili (il materiale ceramico, essendo fragile, si rompe senza deformazioni

generando una frattura con bordi ben definiti, a differenza del materiale metallico che prima

di rompersi si deforma restringendosi al centro);

▪ Hanno elevata resistenza a compressione ma non a trazione;

▪ Non conducono né il calore né la corrente elettrica (eccetto grafite, legami secondari o

introducendo difetti di punto vacanze o elettroni con metalli di transizione e Fe, Cu, Mn, Co);

▪ Non si ossidano;

▪ Resistono alle alte temperature (refrattari) e all’usura.

* Esempi: cemento, gesso, vetro, ceramici tradizionali (mattoni, piastrelle, porcellane, ecc.), ceramici

avanzati e per utilizzo biomedicale.

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene molecolari di molecole organiche (contenenti

carbonio), possono essere sintetici o naturali, sono soggetti a fotodegradazione e termodegradazione

e presentano una struttura spaziale in genere non cristallina (struttura di tipo amorfo esclusa l’unità

submacromolecolare, che è la minima unità con un ordine preciso).

I materiali polimerici presentano molte proprietà:

▪ Hanno densità relativamente bassa;

▪ Hanno bassa resistenza meccanica;

▪ Sono flessibili e deformabili;

▪ Sono soggetti a rammollimento o decomposizione a temperature relativamente basse;

▪ Hanno scarsa stabilità dimensionale;

▪ Sono isolanti termici ed elettrici;

▪ Sono inerti chimicamente in molti ambienti (ad esclusione dell’acetone) ma sono soggetti ad

invecchiamento.

* Esempi: gomma (i materiali gommosi possono essere modellati ritornando poi alla loro forma

iniziale), legno, adesivi, vernici, bitumi, resine, e biopolimeri.

Tipica microstruttura di un materiale polimerico Semicristallino

Amorfo

Polimero ramificato

Polimero reticolato

Polimero lineare (migliore da un punto di

vista meccanico)

Proprietà Metalli Ceramici Polimeri

Densità 2 – 16 2 -17 1 – 2

Punto di fusione basso -alto alto basso

Durezza media alta bassa

Lavorabilità buona scarsa buona

Rt [Mpa] < 2500 < 400 < 120

(resistenza trazione)

Rc [Mpa] < 2500 < 2500 < 350

(resistenza compressione)

Proprietà termiche medie medio - basse basse

Proprietà elettriche conduttori isolanti isolanti

Proprietà chimiche medio - basse eccellenti buone

Compositi

I compositi si formano unendo tutti i materiali delle tre classi e

sono utilizzati per la massima ottimizzazione delle loro proprietà.

Materiali biologici

Tra i vari tipi di materiali, possiamo considerare anche quelli biologici, che possono provenire da

animali o umani (cadaveri o vivi) e, se opportunatamente conservati, possono essere impiantati.

Materiale ceramico Materiale polimerico

Materiale metallico

STRUTTURA DEI MATERIALI

Struttura dei materiali e tecniche di indagine −9

10

La struttura può essere atomica o molecolare, è dell’ordine dei metri e presenta un

E.

comportamento elastico

Le tecniche d’indagine per la struttura sono:

▪ AFM (microscopia a forza atomica);

▪ Diffrattometria ai raggi X;

▪ Analisi termica;

▪ Cromatografia;

▪ Spettroscopia.

Nella microstruttura possiamo studiare la forma amorfa o cristallina, le fasi e i grani, è dell’ordine dei

−6

10 σS.

metri e presenta un comportamento plastico

Le tecniche d’indagine per la microstruttura sono:

▪ Microscopia elettronica;

▪ Microscopia ottica. −3

10

La macrostruttura è visibile ad occhio nudo ed è dell’ordine dei metri.

Le tecniche d’indagine per la macrostruttura sono:

▪ Prove empiriche normate considerando: - densità;

- porosità;

- granulometria.

Stato solido

Un qualsiasi corpo dotato di volume e forma propri nonché di resistenza alla deformazione si definisce

solido.

Lo stato solido è uno stato condensato della materia in cui le particelle costituenti sono impacchettate

in modo denso e più o meno ordinato.

I materiali sono generalmente solidi perché anche se non hanno funzioni strutturali devono almeno

sopportare il proprio peso, ma possono essere anche liquidi (olii-lubrificanti) o gassosi (aria-isolante).

Esistono solidi cristallini costituiti da atomi (diamante, grafite, silice, ecc.), o da molecole ( cloruro di

+ −

Na Cl

sodio, costituito da ioni e ).

Aggregati di atomi e molecole uguali o diverse consente una prima suddivisione dei materiali in

diverse classi in funzione non solo delle particelle elementari ma dal modo con cui queste si legano.

Legami forti

Legame covalente – Solido covalente

Il legame covalente è costituito da una coppia di elettroni messa in compartecipazione tra due atomi

(secondo la regola dell’ottetto), ed è un legame forte, direzionale (covalenti reticolari) e compatto.

Le proprietà dei solidi covalenti sono:

▪ Energia di coesione elevata;

▪ Poco volatili;

▪ Elevate temperature di fusione;

Diamante silice - 2

▪ Duri e fragili; Notare come nel diamante si

▪ Insolubili nei comuni solventi; ripete un’unità tetraedrica.

▪ Isolanti.

Legame ionico – Solido ionico

Il legame ionico si forma tra elementi fortemente elettropositivi (metalli) ed elementi fortemente

elettronegativi (non metalli) e questa attrazione si stabilisce per effetto delle cariche opposte di cationi

ed anioni (elettroni di valenza ceduti da un atomo all’altro).

Esso è un legame forte, adirezionale e non compatto per impedimento sterico e bilancio di carica.

Le proprietà del solido ionico sono:

▪ Energia di coesione molto elevata (1000-4500 KJ/mol);

▪ Poco volatili;

▪ Elevate temperature di fusione;

▪ Duri superficialmente, rigidi e fragili (si rompe in seguito ad uno shock meccanico);

▪ Scarsa conducibilità allo stato solido ma buoni conduttori allo stato fuso;

▪ Elevata solubilità in acqua (es. NaCl).

Legame metallico – Solido metallico

Il legame metallico presenta elettroni delocalizzati: è presente una nuvola elettronica dove sono

immersi i cationi in posizione reticolare, ciò consente di spostare gli elettroni con una piccolissima

spesa energetica.

Questo legame è forte, adirezionale e compatto (massimo riempimento dello spazio, quindi massima

densità). Forza di taglio Deformazione senza rotture del legame

Le proprietà dei solidi metallici sono:

▪ Energia di coesione elevata;

▪ Poco volatili;

▪ Elevate temperature di fusione;

▪ Elevata densità;

▪ Elevata conducibilità elettrica e termica;

▪ Duttili e malleabili (sopportano notevoli deformazioni prima di giungere alla rottura).

Legami deboli (legami che si rompono più facilmente)

Legame a idrogeno

Il legame a idrogeno è un legame costituito da un atomo di idrogeno che si pone a

ponte tra due atomi fortemente elettronegativi (N, O, ecc…).

Legame dipolare

Nel legame dipolare si ha un’attrazione tra i dipoli elettrici di molecole

polari (interazione tra cariche parziali); i dipoli possono anche essere

istantanei per effetto di fluttuazioni degli elettroni all’interno della

molecola.

Solido molecolare

Nei solidi molecolari non si ha la tendenza a formare reticoli cristallini, ma molecole di piccole

dimensioni che poi si uniscono tra loro mediante legami deboli (legami a idrogeno, legami dipolari o

di Van der Waals) per dar luogo a strutture non caratterizzate da un ordine ad ampio raggio (strutture

semicristalline o amorfe).

Le deboli interazioni tra le molecole o gli atomi che costituiscono il reticolo conferiscono:

▪ Energia di coesione bassa;

▪ Basse temperature di fusione;

▪ Volatili (molti sublimano a P atmosferica);

▪ Facilmente deformabili;

▪ Isolanti elettrici;

▪ Solubili in solventi con polarità simili.

Particelle Tipo di Proprietà Esempi

costitutive legame - Durezza

- Elevato punto di

Ioni positivi (+) Attrazioni

Solido ionico NaCl, CaCO

fusione e conduzione allo 3

e negativi (-) elettrostatiche stato fuso ed in soluzione

- Fragilità

Solido Forze - Bassa durezza

Molecole intermolecolari CO , H O

molecolare 2 2

- Basso punto di fusione

(Van der Walls)

Solido - Molto duri (diamante),

Atomi (uguali o Legame C

- Elevato punto di fusione

covalente SiO

diversi tra loro) covalente 2

- Non conduttori

Attrazioni tra il - Conduttori anche allo

Solido Ioni positivi ed reticolo e la stato solido Tutti i metalli

metallico elettroni nube - Lucentezza

elettronica - Duttilità e malleabilità

!!!

La forza del legame chimico influenza il comportamento elastico dei materiali (modulo elastico E,

rigidità).

La direzionalità, la compattezza, gli impedimenti sterici e di carica influenzano il comportamento

plastico dei materiali (sforzo di snervamento, duttilità/fragilità). → Appena supero la tensione di

snervamento il materiale si rompe

Struttura dei solidi

I solidi possono presentare tre tipi di strutture:

Amorfa

▪ → disordinata;

Cristallina

▪ → ordinata a livello molecolare;

Semicristallina

▪ → struttura cristallina alternata a struttura amorfa.

Solidi amorfi

La disposizione degli atomi e delle molecole non è ordinata a lungo raggio ma è casuale, presenta

quindi una ripetitività a corto raggio (es. vetri). Poliedro di coordinazione

Lo stato amorfo è detto metastabile poiché si può avere un riarrangiamento della struttura verso

forme cristalline (energeticamente favorite); tale processo è estremamente lento a causa della

viscosità del sistema. Unità submacromolecolare

(es. materie plastiche)

La riorganizzazione ordinata viene ostacolata a causa di un’elevatissima viscosità (polimeri) in

prossimità del punto di fusione o di un raffreddamento rapido del liquido in via di solidificazione (vetri)

Poiché i comuni vetri sono la classe più nota di solidi amorfi, questo stato della materia viene anche

indicato col nome di stato vetroso.

*Esempio: SiO

Il costituente principale dei vetri è la silice e la sua formula rappresenta

2

il rapporto stechiometrico tra silicio ed ossigeno, ma non la struttura

molecolare della silice, perché in essa ogni atomo di silicio è legato non a

due, ma a quattro atomi di ossigeno. 4+

Le quattro cariche di cui dispone ogni atomo di silicio (Si ) sono

−

O

neutralizzate da quattro ioni disposti ai vertici di un tetraedro, il cui centro

4−

(SiO)

è occupato dal silicio; tale tetraedro rappresenta l’unità strutturale

di base della silice e dei silicati.

La struttura del vetro si ottiene con una elevata velocità di raffreddament