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

P .................................................................................................................................... 14

ROPRIETÀ MECCANICHE

Proprietà termiche ................................................................................................................................... 17

Proprietà elettriche .................................................................................................................................. 17

Proprietà ottiche ...................................................................................................................................... 17

ANALISI DELLE SUPERFICI ..................................................................................................................... 17

TECNICHE SPETTROSCOPICHE ............................................................................................................... 18

S (ESCA) .................................................................................. 21

PETTROSCOPIA ELETTRONICA PER ANALISI CHIMICHE

......................................................................................................... 22

ANALISI DELLE SUPERFICI MEDIANTE RAGGI X

S .............................................................................................................................. 23

PETTROSCOPIA INFRAROSSA

(MS) (SIMS) ................................................................... 29

SPETTROMETRIA DI MASSA E DI MASSA DI IONI SECONDARI

Spettrometria di massa (MS).................................................................................................................... 29

SIMS (Spettrometria di massa di ioni secondari) ..................................................................................... 31

CALORIMETRIA DIFFERENZIALE A SCANSIONE ....................................................................................... 34

( E ) ............................................................................................................... 34

TECNICHE CALORIMETRICHE DTA DSC

................................................................................................................................................................ 35

DTA

DSC ............................................................................................................................................................... 36

(TGA) .................................................................................................................. 40

ANALISI TERMOGRAVIMETRICA

MISURE DI ANGOLO DI CONTATTO ....................................................................................................... 43

........................................................................................................................... 45

MISURA ANGOLO DI CONTATTO

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

....................................................................................................................... 62

MODIFICA PER REAZIONE CHIMICA

M ( ) ............................................................................. 62

ODIFICA PER INNESTO CON RADIAZIONI RADIATION GRAFTING

M ........................................................................................................................... 63

ODIFICA PER SILANIZZAZIONE

M ....................................................................................................... 64

ODIFICA PER IMPIANTO CON FASCIO IONICO

M L -B ....................................................................... 64

ODIFICA PER DEPOSIZIONE DI UNO STRATO DI ANGMUIR LODGET

M ............................................................................. 65

ODIFICA PER DEPOSIZIONE DI UNO STRATO AUTOASSEMBLANTE

A ............................................................................................................... 65

DDITIVI CHE MODIFICANO LE SUPERFICI

C ................................................................................................................................ 66

OPRENTI DI CONVERSIONE

M ............................................................................................................ 66

ODIFICA PER COPERTURA CON PARILENE

M .................................................................................................................................. 66

ODIFICA TRAMITE LASER

M ............................................................................................... 67

ODIFICA PER DEPOSIZIONE IMPIENGANTE PLASMA

BIOMATERIALI POLIMERICI................................................................................................................... 69

C ............................................................................................................................ 71

LASSIFICAZIONE DEI POLIMERI

P ............................................................................................................................. 84

OLIMERI AD USO BIOMEDICO

Polimeri termoplastici ............................................................................................................................. 93

Polimeri biodegradabili ........................................................................................................................... 94

Tecniche di processo ................................................................................................................................ 95

I ...................................................................................................................................... 96

NGEGNERIA TISSUTALE

METALLI............................................................................................................................................... 97

A ........................................................................................................................................ 104

CCIAI INOSSIDABILI

L C -C .................................................................................................................................... 109

EGHE DI OBALTO R

T ................................................................................................................................... 109

ITANIO E LE SUE LEGHE

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:

o biostabili (resistente all’interno dell’organismo)

o 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

o Bioinerti (nessun tipo di interazione con il tessuto circostante e non da neanche effetti

negativi

o Biotossici (provoca reazioni avverse all’interno dell’organismo, da 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 biologicisenza portare a danni

dell’organismo, è anche biodegradabile e a volte potrebbe essere anche bioattivo)

5. Sulla base della loro composizione chimica:

o Polimerici

o Metallici

o Ceramici

o Compositi

o 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, lege 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): 3

- 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 fin ora 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

4

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