Appunti Biomateriali (parte 2 su 2)

Appunti di

2019/2020 Biomateriali [2]

Prof. Silvia Farè

Gabriele Santicchi

INGEGNERIA BIOMEDICA

Sommario

POLIMERI: PROPRIETA’ ...................................................................................................................................................................3

PROVE MECCANICHE PER CARATTERIZZAZIONE MATERIALE VISCOELASTICO..............................................................................4

MICROSCOPIO ................................................................................................................................................................................5

CARATTERIZZAZIONE CHIMICO FISICA ............................................................................................................................................5

MATERIALI VISCOELASTICI ..............................................................................................................................................................6

STRUMENTI PER ANALISI COMPORTAMENTO POLIMERI .............................................................................................................6

1) ANALISI DINAMICO-MECCANICHE (DMA) ............................................................................................................................6

2) REOLOGIA .........................................................................................................................................................................11

SMART MATERIALS ......................................................................................................................................................................13

POLIMERI INTELLIGENTI ............................................................................................................................................................13

PIEZOELETTRICI .....................................................................................................................................................................13

CONDUTTORI ........................................................................................................................................................................13

CROMOGENICI ......................................................................................................................................................................13

FLUIDI ELETTROREOLOGICI ...................................................................................................................................................14

MEMORIA DI FORMA ............................................................................................................................................................14

POLIURETANI E SIBS .....................................................................................................................................................................20

POLI-ESTERE-URETANI ..........................................................................................................................................................21

POLI-ETERE-URETANI ............................................................................................................................................................21

POLI-CARBONATO-URETANI ..................................................................................................................................................21

COPOLIMERI POLIURETANO-SILICONE (PUR-SIL) ...................................................................................................................21

SIBS: Poly (Styrene-block-IsoButylene-block-Styrene) ...............................................................................................................22

COMPOMENTI N-M-N ...........................................................................................................................................................22

PROPRIETA’ SIBS ...................................................................................................................................................................22

PROBLEMATICHE SIBS ...........................................................................................................................................................22

APPLICAZIONI SIBS ................................................................................................................................................................23

CARATTERIZZAZIONE MATERIALI POLIMERICI: Applicazione a SIBS .......................................................................................23

MATERIALI POLIMERICI BIODEGRADABILI ...................................................................................................................................25

POLIMERI SINTETICI ..................................................................................................................................................................25

POLI-α-IDROSSIACIDI: PGA e PLA...........................................................................................................................................25

PGA – Acido Poliglicolico .......................................................................................................................................................26

POLICAPROLATTONE .............................................................................................................................................................26

COPOLIMERI .........................................................................................................................................................................26

POLIDIROSSIBUTIRRATO .......................................................................................................................................................26

PROCESSO DI BIODEGRADAZIONE.............................................................................................................................................27

Parametri Che Influenzano Degradazione .............................................................................................................................27

PROCESSING - METODI DI LAVORAZIONE ..................................................................................................................................27

METODI DI STERILIZZAZIONE ....................................................................................................................................................28

APPLICAZIONE Materiali Polimerici Biodegradabili ....................................................................................................................28

APPLICAZIONI VASCOLARI: STENT ...............................................................................................................................................29

BARE METALLIC STENT (BMS): ..................................................................................................................................................29

DRUG ELUTING STENT (DES) .....................................................................................................................................................31

BIOSTABLE POLYMERIC STENTS (BPS) .......................................................................................................................................32

BPS Polimerici .......................................................................................................................................................................32

1 – Biomateriali [2] Gabriele Santicchi 2019/2020

Stent metallici biodegradabili................................................................................................................................................33

Esempi E Confronti Effettuati Tra Materiali Stent ......................................................................................................................34

APPLICAZIONI VASCOLARI: VALVOLE CARDIACHE .......................................................................................................................35

REQUISITI VALVOLA SOSTITUTIVA .............................................................................................................................................35

TIPOLOGIE DI VALVOLE .............................................................................................................................................................35

Valvole Biologiche .................................................................................................................................................................35

Valvole Meccaniche ..............................................................................................................................................................36

PROCESSO DI LAVORAZIONE DISCHI......................................................................................................................................37

RIVESTIMENTO MATERIALI IN CARBONIO .............................................................................................................................37

Valvole Biomorfe ..................................................................................................................................................................37

APPENDICE 1: BIOMATERIALI E PROTESI IN OFTALMOLOGIA ......................................................................................................39

ANATOMIA DELL’OCCHIO E RELATIVE PATOLOGIE ....................................................................................................................39

Cornea ..................................................................................................................................................................................39

Cristallino ..............................................................................................................................................................................39

Retina ...................................................................................................................................................................................40

Nervo Ottico .........................................................................................................................................................................41

APPENDICE 2: BIOMATERIALI E CHIRURGIA RICOSTRUTTIVA ......................................................................................................42

COMPOSIZIONE PROTESI ..........................................................................................................................................................42

SUPERFICIE ...........................................................................................................................................................................42

TIPOLOGIE DI RIEMPITIVI ......................................................................................................................................................42

SCELTA DI UNA PROTESI E COMPLICANZE .................................................................................................................................43

LIPOFILLING ..............................................................................................................................................................................44

CARATTERIZZAZIONE ED ANALISI IN VITRO ED EX-VIVO ............................................................................................................44

Protocollo sperimentale ........................................................................................................................................................44

Effetti radioterapia su protesi in silicone ...............................................................................................................................44

Valutazione effetto risonanza magnetica su espansori mammari ..........................................................................................44

APPENDICE 3: BIOMATERIALI E PROTESI VASCOLARI CORONARICHE ..........................................................................................45

DES (Drug Eluting Stent)............................................................................................................................................................45

XIENCE: 8 famiglie di stent sviluppati tra 1997 e 2003. ..........................................................................................................45

Bioresorbable Scaffold ..............................................................................................................................................................46

2 – Biomateriali [2] Gabriele Santicchi 2019/2020

POLIMERI: PROPRIETA’

1) STRUTTURA CHIMICA: Tipi/Disposizione monomeri (Unità);

- COPOLIMERI: costituiti da 2 polimeri ripetuti secondo sequenze CASUALI, ALTERNATI, A BLOCCHI, A

INNESTO (Catena 1° di un solo monomero, Catena 2° dell’altro).

→

Caratt intermedie tra Polimeri che lo costituiscono Posso ottenere caratt migliori!

- OMOPOLIMERI (1 solo tipo di monomeri)

2) CONFIGURAZIONE: Come sono collegate tra di loro le unità (es. Cis/Trans, R e S):

- LINEARE (-> Stereoisomeri: con il calore è possibile passare da uno all’altro; NON

cambia struttura (sempre lineare) ma solo posizione atomi <-> != proprietà:

1. PP ISOTATTICO: CH3 dalla stessa parte della catena; buona resist meccanica

2. PP SINDIOTATTICO CH3 alternati; caratteristiche intermedie

3. PP ATATTICO: CH3 disposti random → Mat amorfo → Soffice e gommoso, NO

resistenz mecc);

- RAMIFICATA (Presenza gruppi laterali es. Polipropilene); TERMOPLASTICI

Ramificazioni impediscono scorrimento catena sull’altra! != deformabilità da polim lineari

- RETICOLATA (Catene collegate a catene laterali; es. Idrogeli); TERMOINDURENTI

→

Nodi impediscono allungam/deformaz dei pezzi tra un nodo e altro >>Resist mecc, ma <<allungam

- DENDRIMERI: Struttura ad albero che presenta rami, a loro volta ramificati

3) POLIMERIZZAZIONE

4) CRISTALLINITA’: Dipende da STORIA TERMICA E MECCANICA. Posso determinarla in base a lavorazione e trattamenti,

variando le proprietà mecc del materiale! NON ESISTONO POLIMERI AL 100% CRISTALLINI, ma 100% AMORFI SI

Nelle regioni cristalline le catene macromolecolari sono più impaccate e ordinate, che formano gli sferuliti

• STORIA TERMICA → →

o Raffreddamento rapido Catene disposte random >>Fase amorfa

→ → →

o Raffreddamento graduale Riarrangiamento Potrebbero allinearsi >>Fase Cristallina

• →

MECCANICA: Ad es. stiramento mat fibroso→ Impaccamento ordinato catene polimeriche (formaz domini cristallini)

>>Resist a sollecitazione

5) TRANSIZIONI TERMICHE Caratteristiche di:

PARTE AMORFA

• TRANSIZIONE VETROSA ( ): Passaggio da stato SOLIDO vetroso a stato SOLIDO

gommoso (<-> TRANSIZIONE ISOFASICA!)

• ≫

RAMMOLLIMENTO( ) Passaggio da stato S. amorfo a stato LIQUIDO viscoso

PARTE CRISTALLINA

• FUSIONE ( ) Passaggio da stato SOLIDO ORDINATO cristallino a stato fuso

(LIQUIDO VISCOSO) →

o STATO SOLIDO VETROSO: Catene sono ‘congelate’ Deformabilità bassa! Se

≫

applico sollecitazione essa agisce su LEG COVALENTI presenti sulle catene <->

o NON è valore fisso ma intervallo (Passaggio è graduale)

→

o STATO SOLIDO GOMMOSO: Catene posso muoversi +deformabile

Analisi B’’ (mat TOTALMENTE AMORFO): Osservo grandi salto a livello di

Analisi B’ e B (mat SEMICRISTALLINO): >E’ componente amorfa, > salto in

↔ = ,

Analisi C (mat ALTAM RETICOLATO): Prop meccaniche NON sono influenzate da fino a lim di stabilità

→

Analisi D: Se aumento T.. aumenta perché si generano nodi di reticolazione! >>nodi, >>caratt mecc, >>E

3 – Biomateriali [2] Gabriele Santicchi 2019/2020

6) PROPRIETA’ A TRAZIONE (Nell’es: mat. Termoplastico)

a) PARTE ELASTICA: Recupero della forma iniziale. Agisco su LEG COVAL

b) PUNTO DI SNERVAMENTO (YIELD). E’ def plastica! Se dopo di esso cesso sollecitaz

→ Mat NON ritorna a stato iniziale ma def permanente

c) DRAWING: Restrizione durante yield prosegue su tutto il campione (catene,

potendosi muovere*, si allineano lungo direz carico). Agisco su LEG DEBOLI

NON aumenta perché viene utilizzata per allineare catene!

→

d) Catene sono allineate Sollecitaz agisce su LEG COVAL per allungare ulteriorm mat

>

*Siamo a , perché catene devono potersi muovere

<

FRAGILE Quando (mat rigido)

≈

ELASTOMERICO Quando (Basse prop meccaniche). NON c’è

snervamento !

Quindi stesso mat può evere prop meccaniche diverse a seconda di

7) EFFETTO VELOCITA’ DI SOLLECITAZIONE →

→ −tempo

>> alle catene per allinearsi Agisco maggiormente su LEG COVALENTI

8) TENACITA’ (Capacità di assorbire prima di arrivare a rottura) RESILIENZA (Capacità di assorbire E solo in campo elastico)

<

Dipendono sempre da T in cui le osservo! Se mat è RESILIENTE (<<deformaz! E assorbita in campo elastico!)

9) ISTERESI PER MATERIALE

=

ELASTICO, BLU ( ), PLASTICO, AZZURRO (Deformazione permanente);

<

VISCOELASTICO, VERDE ( per fenomeni di attrito interno tra catene). Inoltre spesso è

presente minima def residua, che può o NON essere recuperata nel tempo. <ampiezza area isteresi,

<comportam elastico

10) ELASTICITA’ (Per mat >>reticolati esiste comportamento (minimo) elastico!)

• →≫ ,

ENTALPICA: agisco direttam sui legami interni ma non l’entropia del sistema (<-> forma invariata)

• →

≪nodi; ≫entropia

ENTROPICA (Per mat elastomerici es. siliconi): Presenti grandi deformazioni ma invariata

perché agisco su legami deboli (Grandi deformazioni applicando carichi molto bassi).

PROVE MECCANICHE PER CARATTERIZZAZIONE MATERIALE VISCOELASTICO

CREEP (e r