Appunti Bioingegneria chimica Parte 1 su 2

SISTEMI BINARI EUTETTOIDI

Sono simili alle eutettiche ma separano una fase SOLIDA da due nuove fasi solide (es. Fe-C). Il diagramma rappresenta sia una transizione eutettica sia una eutettoide.

DIAGRAMMA DI STATO FERRO-CARBONIO DdS eutettoide. In base al tenore di C, suddiviso in ACCIAIO (C <2%) e GHISA (2<%C<7) 4 fasi solide:

• Ferrite-a – struttura CCC, stabile fino a 911°C
• Austenite - γ – struttura CFC, stabile nell’intervallo di temperatura 911°C – 1392°C
• Ferrite-d – struttura CCC, stabile fino alla temperatura di fusione 1536°C
• Cementite- (Fe3C) composto intermetallico carburo di ferro

Trattamenti Termici

Diagrammi di stato rappresentano trasformazioni in seguito a raffreddamenti GRADUALI, ma in pratica -> velocità maggiori! -> Strutture di NON eq. termodinamico (Siamo in grado di stabilizzare a temperatura ambiente delle fasi che secondo il diagramma di stato non esisterebbero affatto.)

Fasi trattamento:

1. ...

RISCALDAMENTO a T definita -> 2. Mantenimento T -> 3. Raffreddam con velocità controllataγ (Es. Raffreddam veloce da T = 930 °C: Fe- (austenite) martensite (retic tetragonale); distors reticolo CCC, stato metastabile)γ γ(Es.2 Raffredam lento da T = 930 °C -> 500 °C: Fe- (austenite) Fe- (ferrite) + Fe C (cementite) (=perlite) )3TEMPRA: riscaldamento a T in cui Austenite è stabile, poi raffreddamento rapido; si forma particolare strutt martensitica incui si hanno grani molto fini di cementite dispersi in una matrice ferrite)- reticolo cristallino distorto <-> Notevole fragilità; Durezza molto elevata8- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

CorrosioneProc elettrochimico, avviene in acqua (meglio se presenti sali disciolti -> trasporto cariche) ma anche in altri mat. Influenza lastabilità di un mat metallico. Processo in cui avviene reazione di OSSIDAZIONEOSSIDAZIONE: proc spostaneo

all'aria; porta a formazione di stato di ossido (es. Al: film di ossido molto compatto <-> si fermasulla superficie. Mg: ossido con pori <-> O penestra ossidazione più interna)

CORROSIONE: avviene in presenza di acqua; si verificano dueprocessi contemporanei: OSSIDAZIONE e RIDUZIONE. Necessarielettroliti (Sali disciolti in acqua) per permettere i 2 processi.Perché corrosione avvenga, Potenziale di Riduzione (aggressivitàambiente) deve essere > Potenziale di Ossidazione (resistenza aossidazione) .

PASSIVAZIONE: Interruzione brusca del processo di corrosione, in seguito alla formazione di strato isolante (ceramico, OSSIDO).Avviene per materiali ATTIVI (perché corrosione rapida) PASSIVI (perché corr. Si blocca)- Se E >> E -> Reaz rapida (met attivi), altrimenti v bassa (met attivi-passivi),rid osscorrosione si ferma perché ossido blocca proc. (PASSIVAZIONE)- Vel di corrosione: misura il passaggio di elettroni come

La densità di corrente elettrica (A/m2) che passa tra catodo ed anodo.

Cosa avviene agli ioni metallici in seguito a ossidazione (loss of electrons)?

1. Rimangono in soluzione o reagiscono con elettroliti disciolti, formando precipitato solido.
2. Formazione di un film (Passivazione), che può proteggere il materiale evitando ulteriore corrosione.

La CORROSIONE può essere:

1. UNIFORME.
2. LOCALIZZATA (Imprevedibile, con effetti gravi).
3. FESSURA si verifica in presenza di piccole fessure tra due superfici a contatto, quando l'ossigeno non è uniforme su tutta la superficie.

Se l'ossigeno è presente solo in reazione anodica (perdita di elettroni e DISSOLUZIONE del metallo), gli elettroni migrano sulla restante superficie e alimentano la reazione catodica.

SFREGAMENTO: quando una superficie è sottoposta a carico di compressione con presenza di micromovimenti locali.

Ad esempio, gli acciai inossidabili sono soggetti a questo fenomeno (es. viti endomidollari). Avviene la rimozione del film di ossido, a causa del quale ricomincia la corrosione.

Ad esempio, le leghe di titanio:

Sfregamento è limite per applicazioni ortopediche (porta a rotture per fatica o di tipo fragile) PER CONTATTO GALVANICO: tra due metalli con nobiltà diverse (si genera flusso di REDOX) Es. Ti/Leghe di Cobalto + Acciaio inossidabile

I fluidi biologici hanno elevato potere corrosivo nei confronti dei metalli (biocompatibilità legata alla loro corrosione nel bio)- CORROSIONE -> rilascio di ioni metallici; due conseguenze:

1. PERDITA DI FUNZIONALITÀ dell'impianto, dovuta al peggioramento delle proprietà meccaniche;
2. CONTAMINAZIONE dei tessuti circostanti/organismo, con ioni metallici spesso tossici. 3 reazioni:

1. attivazione della reazione infiammatoria locale
2. ostacolo ai processi di osteointegrazione
3. fenomeni allergici in soggetti sensibili a particolari ioni metallici (es. Ni) o sensibilizzazione allergica di soggetti non sensibili; fenomeni sono in continuo aumento, causa della sensibilizzazione può essere l'ingestione di ioni metallici (es. Ni).

pentole..)I metalli attivo-passivi (acciai inossidabili, titanio e leghe, leghe di cobalto) in condizioni di passività hanno velocità di corrosione bassa ma non nulla (<0,03 mg/dm2.giorno)

es.1 un mezzo di osteosintesi (in acciaio inossidabile) può subire un rilascio ionico pari a circa 500 mg/anno

es.2 un impianto dentale osteointegrato (in titanio) può subire un rilascio ionico pari a circa 2 mg/anno

se si innesca corrosione in fessura (acciai inossidabili) o sfregamento (leghe di titanio) l'entità del rilascio può aumentare x100 volte

9- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

1. ACCIAI INOSSIDABILI tutte leghe con Fe-C-(Cr o Ni) ,Cr è met attivo passivo, forma ossido che lo isola dall'ambiente Ni fa si che fase (+resistente) esista anche a T più basse

Leghe Fe-C: a <<T (anche ambiente) struttura Fe-α + Fe C . Dopo trattamenti termici: martensite (CCC distorto)3MA con l'aggiunta di altri

elementi di lega è possibile stabilizzare a bassa T altre strutture (es. INOSSIDABILI AUSTENITICI)- Ni: stabilizza la struttura austenitica, ferro g(CFC) (austenite) a basse T. Lega resiste + a corrosione e ha >>caratt meccaniche (Ortopedia)- Cr: stabilizza la struttura ferritica, ferro a (CCC) (ferrite). Determina creazione di PASSIVAZIONE >resist alla corrosione VS martensitici mat impiantabili;austenitici:aggiunta di Ni per stabilizzare a T ambdurezza strumentario biomedicomartensitici:e (struttura austeno-ferritica)ferritica duplex. VANTAGGI Basso costo, Facilità di Lavorazione (per def plastica). SVANTAGGI suscettibilità alla corrosione in fessura e per sfregamento; tende a peggiorare nel tempo in presenza di nichel. Applicazione in campo ortopedico/protesi, viti chiodi endomidollari

2. LEGHE DI COBALTO (Co-Cr-Molibdeno)LEGHE PER GETTO: bassa resistenza a fatica; >resist a corrosione (persfregamento). Mantenute a T, Alto costo

DEFORMAZIONE PLASTICA (presenza di Ni): >>resist meccanica (sforzoprima di rottura elevato); <resist a corrosione per sfregamento, altissimo costo

VANTAGGI: Ottima resistenza a corrosione

SVANTAGGI: Alto costo e complessa metodologia di produzione

APPLICAZIONE: Dispositivi impiantabili e di semplice geometria (es. protesi diginocchio/anca/valvole cardiache)

3. TITANIO<<densità (4.51 g/cm3); a T ambiente: struttura EC (fase , esagonale centrata), a T>885°C: struttura CCC (fase , cubica a faccecentrate). Tecnologia di produzione molto costosa; comportam attivo-passivomat metallico più biocompatibile perché resiste bene a corrosione e induce adesione cellulare.

- Buona resistenza alla corrosione (si ossida facilmente -> Film di ossido), ma NON a corrosione per sfregamento (rimuove strato)

- Basso Modulo Elastico (110 GPa, < di acciaio e leghe cobalto) Rigidezza bassa, ottimo per steli di protesi d’anca

VANTAGGI: ottima biocompatibilità

Possibilità di deformazione a caldo, ottima resistenza a corrosione (tranne per sfregamento)

SVANTAGGI basse caratteristiche meccaniche (bassa tenacità, resistenza a fatica), suscettibile alla corrosione per sfregamento, difficoltà di deformazione a freddo

3.1 LEGHE DI TITANIO: >>resistenza meccanica rispetto a Ti, ma <<resistenza a corrosione

Elementi di lega: influenza sulla T di trasformazione a b- stabilizzanti fase (EC): Al, N, O. Leghe a: >>Duttili, <<Caratteristiche meccaniche- stabilizzanti fase b (CCC): V, Nb, Cr, Fe. Leghe b: struttura dura e fragile; >>Caratteristiche Meccaniche, difficili da lavorare- Leghe + b: >>caratteristiche Meccaniche, <<elasticità, <<resistenza a corrosione per sfregamento; sono le più utilizzate in protesi ortopediche

VANTAGGI maggiori caratteristiche meccaniche (tenacità, resistenza a fatica) rispetto a Ti

SVANTAGGI < resistenza alla corrosione rispetto a Ti (<-> limite per applicazioni in campo ortopedico)

Difficoltà di lavorazioni per deformazione plastica, alto costo, ROTTURA A FATICA

APPLICAZIONE: Campo maxillo facciale, protesi d'anca/ginocchio

STRESS SHIELDING (Scudo allo stress): Riduzione densità ossea a seguito della rimozione dl stress

In un sistema a due componenti il più rigido sopporta la maggior parte del carico. (es. budino - stuzzicadenti con applicato peso sul secondo)

Il sistema scheletrico si modifica in funzione dei carichi applicati: aumenta la massa in caso di elevati carichi, la riduce in caso di bassi carichi

In caso di protesi d'anca: due componenti osso e stelo femorale; se lo stelo è più rigido dell'osso sosterrà la maggior parte dei carichi e l'osso non verrà stimolato: riassorbimento osseo (per gli astronauti è un problema il rientro sulla terra perché l'osso NON è stato stimolato)

10- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020 Problema! Si forma zona