Appunti Biomateriali (parte 1 su 2)

Appunti di

2019/2020 Biomateriali [1]

Prof. Paola Petrini

Gabriele Santicchi

INGEGNERIA BIOMEDICA

Sommario

INTRODUZIONE .............................................................................................................................................................................................. 2

IMPIANTI ARTICOLARI .................................................................................................................................................................................... 3

BIOMATERIALI ................................................................................................................................................................................................ 4

TITANIO E LEGHE DI TITANIO ...................................................................................................................................................................................... 4

Composizione Chimico-Fisica E Proprietà Meccaniche ......................................................................................................................................... 4

Trattamenti termici ................................................................................................................................................................................................. 7

Design delle nuove Leghe di Ti- ........................................................................................................................................................................... 7

CORROSIONE .................................................................................................................................................................................................10

Meccanismi di Corrosione .................................................................................................................................................................................... 11

Fenomeni di Corrosione........................................................................................................................................................................................ 12

EFFETTI SINERGICI CORROSIONE .............................................................................................................................................................................. 13

TESTING CORROSION................................................................................................................................................................................................. 13

CORROSION: SURFACE MODIFICATIONS .................................................................................................................................................................. 13

VANTAGGI E SVANTAGGI DI TEST IN VITRO, IN VIVO E SU ANIMALI ...............................................................................................................15

OSTEOINTEGRATION: SURFACE MODIFICATIONS ...........................................................................................................................................17

Classificazione Metodi di Modifica Superficiale .................................................................................................................................................. 19

BIOCERAMICI PER CHIRURGIA RICOSTRUTTIVA..............................................................................................................................................23

BONE GRAFTS ............................................................................................................................................................................................................ 23

Progettazione Bone Grafts.................................................................................................................................................................................... 23

Calciofosfati (CaP): ................................................................................................................................................................................................ 23

SEMINARIO: LINCOTEK ..................................................................................................................................................................................25

Plasma Spray Coating Technology for PEEK: What Works, What Doesn’t .............................................................................................................. 25

Coating on PEEK .................................................................................................................................................................................................... 25

Calcium Phosphate Biomimetic Coatings: What Works, What Doesn’t.................................................................................................................. 27

DEPOSIZIONE CATODICA....................................................................................................................................................................................... 27

POST TRATTAMENTO ............................................................................................................................................................................................ 28

CaP Coating -THIN LAYER ...................................................................................................................................................................................... 29

SMA ..............................................................................................................................................................................................................30

Effetto Memoria di Forma ......................................................................................................................................................................................... 31

Effetto Pseudo-Elasticità ........................................................................................................................................................................................... 32

Applicazioni SMA In Campo Biomedicale ................................................................................................................................................................. 33

INFEZIONI ......................................................................................................................................................................................................35

Orthopedic Device-Related Infection (ODRI) ....................................................................................................................................................... 35

BIOFILM BATTERICO .............................................................................................................................................................................................. 35

Risposta Osteo-Immune ....................................................................................................................................................................................... 36

Strategie adottate per ostacolare infezione ........................................................................................................................................................ 36

Frontiere ................................................................................................................................................................................................................ 37

ADDITIVE MANIFACTURING ...........................................................................................................................................................................38

Materiali Utilizzati ...................................................................................................................................................................................................... 38

Tecnologie Implementate ......................................................................................................................................................................................... 39

METALLI BIODEGRADABILI ORTOPEDICI.........................................................................................................................................................40

Metalli Applicabili ...................................................................................................................................................................................................... 40

CERAMICI AVANZATI .....................................................................................................................................................................................41

23

ALLUMINA ................................................................................................................................................................................................. 41

Zirconia .................................................................................................................................................................................................................. 41

Ceramici Compositi .................................................................................................................................................................................................... 42

UHMWPE ......................................................................................................................................................................................................42

1 – Biomateriali [1] Gabriele Santicchi 2019/2020

INTRODUZIONE

Studiamo dispositivi impiantabili ma anche dispositivi utilizzati per lo strumentario chirurgico. Materiali che interagiscono con il

sistema biologico. Esempio di sviluppo di dispositivi nel periodo successivo alla seconda guerra mondiale:

• DIALISI, RENE ARTIFICIALE: utilizzare delle membrane per separare il sangue con soluzioni fisiologiche e depurare il

sangue dalle tossine in caso di non funzionamento del rene. Funzionava ma il problema era l’interfaccia con vene e

arterie. Si utilizza uno shunt in PTFE.

• LENTI A CONTATTO INTRAOCULARI: Ridley curò piloti con schegge di plastica (PMMA) negli occhi. Queste schegge non

creavano grossi problemi anche negli occhi. Quindi viene l’idea di applicarlo per lenti intraoculari. Partendo da questa

idea un’altra persona ha pensato di modificare il polimetilmetacrilato e rendendolo soffice (poliidrossietilmetacrilato) e

usarlo per creare lenti a contatto.

• PROTESI ORTOPEDICHE: le protesi ortopediche sono quelle trainanti l’economia dei biomateriali oggi. Fino agli anni 60-

70 tutte le idee erano destinate a fallire. I materiali sperimentati non funzionavano. Fino agli anni ‘70 infatti venivano

sviluppate protesi con interazione metallo metallo. Ma si nota che c’erano delle leghe di cobalto cromo molibdeno che

avevano grossa resistenza meccanica. Inoltre elevata resistenza alla corrosione. Infine avevano la possibilità di formare

forme complesse. Forme complesse ottenute tramite tecniche di fonderie. La vera svolta in questo ambito è dovuta a

Charnley. Ha sviluppato una nuova tipologia di protesi. Protesi metallica in cui però l’articolazione avviene su un

materiale polimerico. Un polietilene a peso molecolare ultraalto. Inoltre utilizzo di cemento di PMMA per fissare la

protesi. Anche il design di Charnley è ancora attuale.

• PROTESI MAMMARIE: svolta negli anni ‘60. Involucro esterno di silicone denso riempito di gel di silicone. Ciò che

cambia rispetto ai siliconi industriali è il Medical Grade. Nei materiali medici non è ammessa l’aggiunta di additivi

chimici. Negli anni ‘90 una donna con protesi mammaria a seguito di una malattia autoimmune ottenne un risarcimento

di 7,3 milioni di dollari. Successivamente si scoprì che la malattia non era dovuta al silicone. Però le grandi aziende della

chimica si ritirarono dal mercato dei biomateriali. Ambito applicativo rischioso. Il rischio di una multinazionale è che una

singola linea di prodotti trascini tutta l’azienda nel baratro. L’ambito biologico è variabile. La risposta non è

deterministica.

• IMPIANTI DENTALI OSTEOINTEGRATI: Branemark utilizzò titanio e scoprì che titanio e osso si interfacciavano molto

bene. Impianti che andavano a connettersi molto bene. L’Italia dopo gli Stati Uniti è il paese in cui si mettono più

impianti dentali.

• STENT: problemi di apertura e chiusura delle coronarie. Telaio portante. Stent in acciaio inossidabile o leghe di cromo

cobalto molibdeno. Tengono aperto il lume della coronaria.

• VENTRICOLO E CUORE ARTIFICIALE. Non si è mai arrivati a un risultato finale. I problemi non sono tanto relativi ai

materiali ma più a affidabilità meccanica, all’alimentazione. Si è passati al concetto di ponte in attesa di trapianto.

• PROTESI VASCOLARI: sempre nell’ambito del chirurgo sperimentatore. Oggi questo non è più possibile.

• PACEMAKER

• PROTESI VALVOLARI STRATEGIA DI SELEZIONE DEI MATERIALI

Selezionare i materiali significa partire da più materiali possibili per poi arrivare come ultimo obiettivo alla scelta finale del

materiale da utilizzare. 4 fasi diverse:

1. TRADUZIONE: tradurre i requisiti progettuali in funzioni variabili. Devo convertire i requisiti progettuali in una specie di

ricetta per la selezione dei materiali. Per esempio sono importanti temperatura di utilizzo,...

2. SELEZIONE: definire dei vincoli che mi permettono di scartare alcuni materiali. Eliminare i materiali che non possono essere

utilizzati. I vincoli sono diversi dagli obiettivi. I VINCOLI sono ciò che mi permette di scartare un materiale. Sono le

condizioni essenziali che devono essere rispettate, solitamente espresse come un limite in un materiale o in un processo.

Gli OBIETTIVI sono le proprietà che posso utilizzare per mettere in ordine il materiale. Sono le quantità per cui è richiesto un

valore estremo. Tipici vincoli riguardano la resistenza meccanica per esempio.

3. CLASSIFICAZIONE: una serie di materiali sopravvivono alla selezione del punto precedente. Selezionare con un obiettivo i

materiali migliori. Fare una classifica tra i materiali rimasti. [Gli obiettivi che posso utilizzare per fare il ranking quali sono?

Costo, rigidezza, resistenza meccanica,... questo mi fa fare delle scelte sulla selezione del materiali.] Vogliamo capire quali

materiali funzionano meglio. Posso scegliere i materiali che funzionano meglio basandomi su delle proprietà. Posso avere

anche indici formati dell’interazione di più proprietà. Per esempio modulo di Young con densità. Non è banale perché la

rigidezza dipende anche dalla geometria, dalla forma della sezione. Se massimizziamo una proprietà o un insieme di

proprietà massimizziamo la performance.

4. DOCUMENTAZIONE: ricercare la documentazione per il materiale sopravvissuto e che risulta essere vincitore. Cercare se

esistono applicazioni analoghe, se sul mercato è già presente quel tipo di materiale,... possiamo fare questo ultimo punto

solo per 1,2 o 3 materiali. Non di più. Ricerca approfondita tra i due o tre materiali che mi sono rimasti. Profilo dettagliato

dei migliori candidati. Descrittivo, grafico o disegno.

2 – Biomateriali [1] Gabriele Santicchi 2019/2020

IMPIANTI ARTICOLARI

Protesi d’anca, ginocchio, spalla; non verranno trattate, però importante sapere che c’è un aumento considerevole degli impianti

(THR: +154%, TKR: +673%, USA preview)

REVISIONE DELL’IMPIANTO (RECALLS): Necessario a volte; impianto di una seconda protesi dovuto a diverse cause*. Successo

della seconda protesi MOLTO BASSO ed essa può causare molti dolori al paziente. Relativam frequente per protesi di ginocchio.

PROTESI DI GINOCCHIO

Patologie Femoral and Tibial component: usually realized in metal alloys.

• Plastic spacer: usually realized in UHMWPE.

Osteo-artrite: è un tipo di artrosi usurante (“wear and

tear”) relativa all’età, in cui la cartilagine si ammorbidisce e

→

si consuma. sfregamento di un osso sull’altro, causando rigidezza e dolore al ginocchio;

• Artrite reumatoide: l’artrite reumatoide è la forma più comune di un gruppo di disturbi chiamati “artriti

infiammatorie”. È una patologia in cui la membrana sinoviale, che circonda il giunto, diventa infiammata e spessa.

Questa infiammazione cronica può danneggiare la cartilagine ed eventualmente causarne il riassorbimento con

conseguente dolore e limitazione del movimento;

• Artrite post-traumatica: questa patologia può insorgere a causa di traumi, incidenti o sport. La frattura delle ossa

attorno al ginocchio o gli strappi ai legamenti possono danneggiare nel tempo la cartilagine articolare, portando a

dolore e limitamento delle funzioni del ginocchio

Operazione chirurgica

1. PREPARARE L’OSSO: le superfici della cartilagine danneggiata alla fine del femore e della tibia vengono rimosse insieme

ad un piccolo strato dell’osso sottostante.

2. POSIZIONARE GLI IMPIANTI METALLICI*: l’osso e la cartilagine rimossa sono sostituiti da componenti metalliche che

ricreano la superficie dell’articolazione. Parti metalliche vengono cementate o press-fittate nelle ossa

3. LAVORAZIONE DELLA PATELLA: (opzionale): per quanto riguarda la patella, questa può essere “protesizzata” o meno a

discrezione del chirurgo (sulla base della sua esperienza e dolore percepito dal paziente). Nel caso in cui venga

protesizzata, se ne taglia la superficie inferiore e la si sostituisce con un “bottone” di plastica

4. INSERIMENTO DELLO SPAZIATORE*: un distanziatore in plastica (plastic space, UHMWPE) “medical-grade” viene

inserito tra i componenti metallici per creare una superficie scorrevole liscia e permettere il movimento relativo delle

due parti metalliche. Le forme possono essere diverse. Types of knee prothesis: https://www.drugwatch.com/knee-

replacement/depuy-attune

*Queste tre componenti sono solitamente fissate in sala operatoria con cemento per ossa, ma è possibile utilizzare nei pazienti

giovani, in salute e con una forte struttura ossea attorno al ginocchio, la tecnica “pressfit”, in modo da favorire una maggiore

stabilità secondaria. Le sostituzioni di ginocchio cementate, invece, sono considerate più adatte per i pazienti più anzian