Appunti Bioingegneria chimica Parte 1 su 2

BIOINGEGNERIA CHIMICA Prof Petrini e Mantero, 2019/2020

Di Gabriele Santicchi

Sommario

MATERIALI .................................................................................................................................................... 2

PROPRIETA’ MECCANICHE DEI MATERIALI ................................................................................................. 3

Sterilizzazione ........................................................................................................................................... 4

FATICA ...................................................................................................................................................... 5

BIOMATERIALI METALLICI ............................................................................................................................. 6

LEGHE METALLICHE ................................................................................................................................... 7

Diagrammi Di Stato (di Fase) ..................................................................................................................... 8

Trattamenti Termici ............................................................................................................................... 8

Corrosione ................................................................................................................................................ 9

Tecnologie Di Lavorazione (Biomat Metallici) .......................................................................................... 11

MATERIALI CERAMICI ................................................................................................................................. 12

a) BIOCERAMICI (QUASI) INERTI .............................................................................................................. 13

b) BIOCERAMICI AD ATTIVITÀ SUPERFICIALE E BIORIASSORBIBILI ............................................................ 14

BIOMATERIALI POLIMERICI ......................................................................................................................... 15

Classificazione POLIMERI ......................................................................................................................... 19

a) POLIMERI VINILICI ............................................................................................................................... 19

b) POLIESTERI .......................................................................................................................................... 21

c) ALTRI POLIMERI ................................................................................................................................... 21

IDROGELI ................................................................................................................................................. 23

BIOMATERIALI DI ORIGINE NATURALE ........................................................................................................ 25

POLISACCARIDI ........................................................................................................................................ 25

PROTEINE ................................................................................................................................................ 25

MATERIALI COMPOSITI ............................................................................................................................... 27

MATERIALI E INGEGNERIA DEI TESSUTI ....................................................................................................... 28

SCAFFOLD ............................................................................................................................................... 29

BIOREATTORI .......................................................................................................................................... 30

1- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

MATERIALI

aggregato di atomi o molecole che, grazie alla presenza di opportuni legami chimici o fisici, è in grado di opporre una adeguata

reazione alle sollecitazioni meccaniche o anche a stimoli fisici o chimici, tale da consentirne l'impiego per la realizzazione di

oggetti, componenti e strutture

PROPRIETA’ MATERIALI

Caratteristiche dei materiali nel rispondere all’ambiente

- CHIMICHE stabilità, degradabilità, solubilità, modificazioni strutturali

- FISICHE misurano comportamento dei materiali sotto azione di forze fisiche come temperatura, campi elettrici/magnetici, luce

- MECCANICHE misurano e classificano il comportamento dei materiali sottoposti all’azione di un sistema di forze

STRUTTURA MATERIALI

La struttura influenza le proprietà del materiale -> Per modificarle, devo modificare la struttura; essa è determinata dal tipo di

atomi e dal legame tra essi. SOLIDI ORGANICI (composti da C,H,N,O,S,F) e INORGANICI

Le proprietà dipendono anche da Disposizione Spaziale e dimensione degli atomi/molecole

A. SOLIDI CRISTALLINI: Atomi disposti secondo una struttura periodica (CELLA ELEMENTARE; serie di Celle

elementari costituiscono il RETICOLO CRISTALLINO). Esistono 14 diversi tipi di celle (reticoli di Bravais) per

.

distinguerle utilizzo i PARAMETRI RETICOLARI (Lunghezza vettori a,b,c e angoli tra essi compresi)

CELLE ELEMENTARI SEMPLICI punti reticolari (atomi, ioni, molecole) solo ai vertici della cella

CELLE ELEMENTARI MULTIPLE punti reticolari all’interno della cella (a corpo centrato),

nel baricentro delle basi (a basi centrate)o nel baricentro delle facce (a facce centrate)

B. SOLIDI POLICRISTALLINI: Costituiti da diversi grani/cristalli, che hanno origine durante solidificazione del materiale -> A

seconda di come sono disposti/orientamento cristallografico CAMBIANO proprietà materiale. Sono separati da BORDI DI GRANO

(Difetto di superficie: regioni dove non esiste l’ordine cristallino e due o più grani si adattano l’uno con l’altro). Generalmente

sono SOLIDI ISOTROPI (orientamento casuale dei vari cristalli prevale su anisotropia del reticolo)

NB Cristalli ideale NON esistono; -> DIFETTI NEI CRISTALLI REALI

1. DIFETTI PUNTIFORMI riguardano un solo atomo

1.1 VACANZE Posizioni reticolari non occupate da atomi (Spazio vuoto); aiutano mobilità atomi (DIFFUSIONE)

1.2 ATOMI INTERSTIZIALI Atomi dello stesso/diverso elemento che non occupano normale posizione reticolare

1.3 ATOMI SOSTITUZIONALI Atomi estranei che occupano posizioni reticolari (es. drogaggio)

2. DIFETTI LINEARI (DISLOCAZIONI) riguardano seq di atomi, collocati lungo piani reticolari dei cristalli non

coincidenti con quelli ideali. Rendono possibile la deformabilità (deformazione plastica) dei

Mat metallici –> (possibilità di deformazione plastica “a freddo) tuttavia sogg a INCRUDIMENTO.

In quelli ceramici non ci sono dislocazioni -> impossibilità di deformazione plastica

2.1. A SPIGOLO/LINEARI: in una parte del cristallo è presente un piano in più/meno

rispetto al reticolo perfetto. All’ext del cristallo di osserva formazione di un gradino.

2.2 A VITE/ELICA è una rampa a spirale di atomi spostati rispetto alla posizione del

reticolo perfetto. Sono dovuti all’applicazione di sforzi di taglio 1 Il movimento di una dislocazione consente lo

scorrimento fra due piani di atomi del reticolo

3. DIFETTI DI SUPERFICIE (Bordi di grano) tipici di mat policristallino; riguardano una superficie

Sono dovuti alla NON contemporanea cristallizzaz del metallo Formazione



di grani orientati in modo diverso, influenzando prop.materiale

A T NON elevate si verificano (sotto carichi elevati) FRATTURE

TRANSCRISTALLINE (<-> non lungo i bordi); a T elevate F.INTERCRIST

C. SOLIDI AMORFI: NO ordine sistematico a lungo raggio

D. SOLIDI SEMICRISTALLINI: Contengono parte amorfa e cristallina (es. POLIMERI)

2- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

TIPI DI MATERIALI

METALLICI costituiti princip da elementi metallici. A T ambiente sono in genere allo

stato di solidi cristallini (Cristallini).

CERAMICI composti inorganici; combinazione di elem metallici (Mg, Al, Fe, ... ) ed

elem non metallici, tra cui O. Sono in genere costituiti da solidi cristallini, ma

comprendono anche i vetri minerali inorganici (non cristallini/policristallini)

POLIMERI ORGANICI solidi composti da lunghe catene (macromolecole) formate

per la maggior parte da atomi di C legati covalentemente ad altri elementi come H,

O, N, Cl, S. A diversi gradi di cristallinità (Semicristallini/Amorfi)

Ai 4 vertici sono presenti le 4 caratteristiche principali COMPOSITI Combinazione dei 3 tipi di materiali, in cui le loro proprietà specifiche

di un materale; i vari tipi si possono identificare in una sono unite in modo sinergico

particolare regione

MATERIALE ISOTROPO: Proprietà sono identiche in tutte le direzioni (VS ANISOTROPIA). NB:

- POLICRISTALLINI sono ISOTROPI! In media, a lv macroscopico proprietà sono identiche

- Nel corpo umano >>materiali sono ANISOTROPI (Es. ossa, matrice extracellulare..)

- Diamante è ANISOTROPO; esiste piano preferenziale secondo il quale è più facile modellarlo

POLIMORFISMO E ALLOTROPIA

POLIMORFISMO Diffuso nei solidi): diverse forme cristalline di stessa sostanza, (2 o PIU’ ELEM) ovvero

con uguale composizione chimica)-> != prop fisiche/chimiche

(ex. TiO2 , Biossido di Titanio per protesi d'anca: 3 forme polimorfe (Rutilo, Anatasio, Brookite)

(SOLO 1 ELEM!)

diverse strutture che si formano in f(T, P) composte dagli stessi atomi

ALLOTROPIA: 1° SPECIE: = elem, ma =! leg chim atomi (Diam-Grafite o O2-O3)

2° SPECIE: = elem, = leg chim ma != strutt mol.re (Grafite, Fullereni, Nanotubi)

PROPRIETA’ MECCANICHE DEI MATERIALI

Risposta dei materiali dipende da: carico applicato (e sua direzione), tempo, temperatura, altre condizioni..

DUREZZA: Misura dl resistenza di un mat a deformazione plastica LOCALIZZATA. Analisi misurando profondità lasciata da punta

TENACITA’: Quantità E assorbita da mat fino alla rottura (-> E’ tipo materiale fragile!). Analisi mis capacità assorbim urti

RESILIENZA: Capacità di assorbire energia durante la deformazione SOLO elastica. E è area sottesa dalla curva

DUTTILITA’: Capacità di def prima di giungere a rottura. Raggiunto il punto di snervamento, mat si deforma permanentemente

(Vedi mat DUTTILE VS FRAGILE)

2

- SFORZO [Pa, N / m ] = Carico per unità di area; Forza è perpendicolare all’area della sezione (A)

- DEFORMAZIONE = Cambiamento di dimensioni provocato dallo sforzo; adimensionale

- RAPPORTO DI POISSON descrive le deformazioni (elastiche) che un materiale subisce nelle 3 direzioni

- LEGGE DI HOOKE descrive relazione tra sforzo e deformazione (E: MODULO di YOUNG, specifico per ogni materiale)

Tuttavia essa NON è valida per materiali di tipo viscoso..

Esistono diversi tipi di sforzi (TENSIONE, COMPRESSIONE, DI TAGLIO, TORSIONE).

Applicando uno di essi sforzi ottengo una DEFORMAZIONE, di tipo

 a. ELASTICO reversibile, associato a deformazioni basse

b. PLASTICO irreversibile;

- PUNTO DI SNERVAMENTO: Valore di rapporto sforzo/deformazione

in cui si passa da def.Elastica a Plastica (Nei met. è circa 0,2 %)

STRIZIONE: fenomeno che avviene

quando lo sforzo è elevato; la deformaz

NON omogenea lungo corpo

Se l’area diminuisce cambia

anche lo sforzo; è più facile deformare se

l'area diminuisce.

FATICA: Fenomeno che si verifica in seguito a sollecitazione periodica prolungata. A DX: CURVA DI ISTERESI

CURVA dovuta a comp VISCOELASTICO (NON ideale) del mat. Tipico di mat. Polimerici, meno per ceram/metall

3- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

SFORZO E DEFORMAZIONE NOMINALI (Continua) E REALI (Tratteggiata)

- Se la deformazione NON è uniforme (<-> fenomeno STRIZIONE) grafico segue linea tratteggiata

STABILITA’: Mantenimento della performance del materiale. PROCESSI:

1.MECCANICI

1.1. USURA: Presenza di movimento relativo tra due corpi. Può essere ADESIVA (effetto ‘strap’ scarpe; a furia

di usarle si usura) ABRASIVA (se c’è un materiale tra i due più duro), ABRASIVA A TRE CORPI (Presenza di

particelle abrasive) o FATICA

1.2. FATICA

1.3. CREEP

2.CHIMICA

2.1 OSSIDAZIONE, RETICOLAZIONE infragilisce il materiale

2.2 DEGRADAZIONE = Processo di rottura dei legami (VS Erosione: perdita di massa).

2.3 CORROSIONE RIGUARDA SOLO MAT. METALLICI! CERAMICI solo USURA!

2.4 SOLUBILIZZAZIONE PARZIALE/TOTALE

Sterilizzazione

Eliminazione di tutti gli organismi viventi. STERILITA’: Necessaria per evitare insorgere infezioni. Procedimenti:

a. FILTRAZIONE: Possibile se ciò che filtro ha dimensioni ridotte

b. CALORE (Fiamma, Bollitura, Vapore sotto pressione..)

Sterilizzazione in autoclave (calore+vapore):

denaturazione termica (121-134°C) o ossidativa delle proteine (e degradazione lipidi) -> distruzione di

loro componenti strutturali essenziali per la replicazione.

Efficace, veloce (15 min), semplice, NO residui tossici

non utilizzabile per materie plastiche e materiali sensibili al calore e vapore o con geom complesse

c. TECNICHE VARIE

Ossido di etilene:

alchilazione dei gruppi amminici degli acidi nucleici. inattiva tutti i tipi di microrganismi, incluse le

spore dei batteri e dei virus (ma anche nostre cell Pericoloso)



molto efficiente ma >>tossico e può lasciare residui + modificaz strutt polimeri + >>t di sterilizzaz (8h)

Radiazioni ionizzanti (gamma ed electron beam):

ionizzazione (con fasci elettronici o raggi gamma) di componenti cellulari (acidi nucleici) che porta

alla morte delle cellule

molto efficiente ma >>pericoloso e può degradare alcuni polimeri

Mediante Plasma

esposizione superf di prodotti a un gas che è stato ionizzato da un campo di energia.

PLASMA: gas costituito da atomi molecolari con cariche elettriche, ad >>E e >>T. E’ possibile generare

plasma in condizioni di vuoto a minori E e T (50°C) (lampade al neon).

Buona compatibilità, efficacia, velocità (30min)

instabilità del perossido di idrogeno (<<capacità di penetraz all’int dell’oggetto da sterilizzare)

MATERIALI AD >>% DI ACQUA: >>difficili da trattare (Carica batterica contenuta cresce esponenzialmente)

STERILIZZAZIONE IN AUTOCLAVE: semplice, ma si ha degradazione del materiale.

 STERILIZZAZIONE MEDIANTE OSSIDO DI ETILENE: impossibilità di eliminare i residui.

 STERILIZZAZIONE MEDIANTE RADIAZIONI IONIZZANTI: efficace in quanto gli elettroni penetrano bene nel materiale



4- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

FATICA

Materiale sottoposto a sollecitazione variabile periodica; esso si può rompere per un lv di sforzo inferiore a quello di rottura nel

caso di carichi statici.

- Carico ciclico: fasi di trazione/compressione; nel caso

reale carico può essere ‘meno ciclico’

ROTTURA A FATICA: Danneggiamento progressivo del

materiale che può essere dovuto a difetti

(porosità/inclusioni);

- cricca accresce fino a dim critiche -> ROTTURA

FATTORI CHE INFLUENZANO LA ROTTURA A FATICA

1) DIMENSIONE GRANI CRISTALLINI: Grani +piccolini 

Sforzo max a rottura +alto

2) GEOMETRIA PROVINO

3) FINITURA SUPERFICIALE: se ‘Rough = rugosa’ Sforzo



max minore

4) TRATTAMENTI TERMICI

5) TIPO MAT, PRESENZA INTAGLI, TIPO SOLLECITAZIONE,

PROP SUPERFICIALI, AMBIENTE e T

DIAGRAMMI DI WOHLER: Linea rappresenta limite sforzo/cicli alla rottura a fatica ( se al di sotto mat. Resiste!)



Linea orizzontale: se costruisco assali che resistono a 200Mpa, qualunque sia num cicli NON avrò rottura

( = LIMITE DI FATICA); alcuni mat Non hanno lim di fatica (vedi Al) <-> essi NON adatti a casi in cui ci sono infiniti/numerosi cicli!

Se devo progettare ENDOPROTESI a lungo termine.. è fondamentale stia al di sotto del LIM DI FATICA!

Esistono NORME alle quali devono sottostare (relativo a sforzi,

frequenza cicli, numero cicli, T)

5- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

BIOMATERIALI METALLICI

a. SETTORE ORTOPEDICO: Impianti di tipo

PERMANENTE (realmente tra 10-30y)

- PROTESI D’ANCA: Costituita da STELOFEMORALE (entra nel femore), TESTINA FEMORALE, COPPA ACETABOLARE

(Incastro nel bacino, facilitato dal METALBACK). Biomat. Meccanici sono presenti in ()

- PROTESI DI GINOCCHIO: PIATTO TIBIALE (Nella tibia) CONDILOFEMORALE (Nel femore). Per non usurare i due, in

metallo, è posto nel mezzo POLIETILENE

- PROTESI DI SPALLA, CAVIGLIA..

PROVVISORIO (Per supportare organismo nella riparazione)

- MEZZI DI OSTEOSINTESI: Elementi metallici costituiti da placche e viti

- DISTRATTORI ESTERNI per separare vertebre, o permettere ricostruzione osso..

b. SETTORE ODONTOIATRICO Apparecchi

c. SETTORE CARDIOVASCOLARE: Valvole Cardiache, Cluster, Pacemaker, Cuore Artificiale..

Quanti elementi metallici vengono utilizzati? 6 (Titanio, ferro, cromo, cobalto, nichel, vanadio). Elem met con >> PM scartati.

LEGAME METALLICO reticolo di ioni positivi disposti in modo ordinato e ripetitivo, immersi in una “nube” di elettroni (costituita

dagli elettroni di valenza) diffusa in tutto il reticolo e libera di muoversi al suo interno. elettroni delocalizzati <-> CONDUCIBILITA’

PROPRIETA’ MATERIALI METALLICI: Dipendono dal tipo di struttura cristallina

- CONDUCIBILITA’ ELETTRICA E TERMICA e LUCENTEZZA Dovute alla mobilità degli elettroni di valenza

- ELEVATA RESISTENZA MECCANICA

- TENACITA’ Dovuta al fatto che i legami metallici sono forti e la struttura è organizzata in reticoli cristallini

- DEFORMABILITA’ A caldo e a freddo grazie alla presenza di dislocazioni

>>PESO SPECIFICO; Perché formati da elementi di alto numero atomico, ordinati in modo

- ELEVATO PESO ATOMICO 

compatto. possono pesare fino a 10 volte di più dei materiali presenti nel nostro corpo

- FORMANO FACILMENTE LEGHE Grazie ai difetti di punto

- RETICOLI CRISTALLINI: Non sono uguali tra i metalli, dipendono dal tipo di lega e atomi coinvolti. Se

reticolo è costituito da grani piccoli -> Elevata tecnologia. Costituiti da DIFETTI DI SUPERFIC