Appunti Biomateriali - prima parte

APPUNTI DI

BIOMATERIALI

MODULO I

Prof.ssa Petrini Paola - Anno accademico 2019/2020 1

Sommario

1. LEGHE DI TITANIO E RESISTENZA MECCANICA......................................................................................................6

1.1. PROTESI DI GINOCCHIO ................................................................................................................................6

1.1.1. PROBLEMA CLINICO – TOTAL KNEE REPLACEMENT ..................................................................................6

1.1.2. ANATOMIA DEL GINOCCHIO ....................................................................................................................6

1.1.3. PATOLOGIE DEL GINOCCHIO ....................................................................................................................6

1.1.4. TOTAL KNEE REPLACEMENT - PROCEDURA CHIRURGICA .........................................................................7

1.1.5. COMPONENTI ..........................................................................................................................................7

1.1.6. PROBLEMI LEGATI ALL’IMPIANTO DI UNA PROTESI DI GINOCCHIO ..........................................................7

1.1.7. MATERIALI...............................................................................................................................................8

1.2. LEGHE METALLICHE ......................................................................................................................................8

1.2.1. TITANIO ...................................................................................................................................................8

1.2.2. LEGHE DI TITANIO....................................................................................................................................9

1.3. RESISTENZA DI UN MATERIALE METALLICO ................................................................................................10

1.3.1. ASPETTI GENERALI .................................................................................................................................10

1.3.2. RELAZIONE TRA PROPRIETÀ MECCANICHE E STRUTTURA CRISTALLINA ..................................................10

1.3.3. DISLOCAZIONI........................................................................................................................................10

1.4. TECNICHE DI MODIFICA DELLA RESISTENZA ................................................................................................12

1.4.1. TEMPRA DI SOLUZIONE .........................................................................................................................12

1.4.2. DISPERSION AND PRECIPITATE STRENGTHENING...................................................................................12

1.4.3. INCRUDIMENTO ....................................................................................................................................12

1.4.4. LAVORAZIONE SUI BORDI DI GRANO .....................................................................................................12

1.4.5. ANNEALING - TRATTAMENTO TERMICO ................................................................................................13

1.4.6. RICRISTALLIZZAZIONE - TRATTAMENTO TERMICO .................................................................................13

1.4.7. TRATTAMENTI TERMICI SULLE LEGHE Ti6Al4V .......................................................................................13

1.4.8. DIMENSIONE DEI GRANI PER Ti6AlV4 ....................................................................................................14

1.5. PROGETTAZIONE DI LEGHE DI TITANIO PER APPLICAZIONI ORTOPEDICHE ................................................14

Β

1.5.1. PERCHÉ C’È BISOGNO DI PROGETTARE NUOVE LEGHE β ........................................................................15

1.5.2. MODULO ELASTICO ...............................................................................................................................15

1.5.3. EFFETTI DEL NIOBIO IN UNA LEGA DI TITANIO .......................................................................................15

1.5.4. TOSSICITÀ ..............................................................................................................................................15

1.5.5. RILASCIO DI IONI METALLICI ..................................................................................................................16

1.5.6. PROGETTAZIONE DI NUOVE LEGHE........................................................................................................16

1.5.7. EXPERT REVIEW .....................................................................................................................................16

2. CORROSIONE ......................................................................................................................................................18

2.1. OSSIDAZIONE E CORROSIONE NON SONO LA STESSA COSA .........................................................................18

2.1.1. OSSIDAZIONE DEI METALLI ....................................................................................................................18

2.1.2. FORMAZIONE DELL’OSSIDO ...................................................................................................................18

2.1.3. RESISTENZA ALL’OSSIDAZIONE NEI METALLI ..........................................................................................19

2.1.4. DA OSSIDAZIONE A CORROSIONE ..........................................................................................................19

2.2. MECCANISMI DI CORROSIONE DEI METALLI................................................................................................19

TERMODINAMICA E VELOCITÀ DI UN PROCESSO DI CORROSIONE .........................................................20

2.2.1.

2.3. TIPOLOGIE DI PROCESSI DI CORROSIONE ....................................................................................................21

2.3.1. CORROSIONE LOCALIZZATA IN FESSURA (CREVICE CORROSION) ............................................................21

2.3.2. CORROSIONE LOCALIZZATA PER SFREGAMENTO (FRETTING CORROSION) .............................................21

2.3.3. CORROSIONE GALVANICA ......................................................................................................................21

2.3.4. CORROSIONE INTERGRANULARE ...........................................................................................................21

2.4. RILASCIO DI IONI DAI METALLI PASSIVI .......................................................................................................22

2.4.1. CONSEGUENZE DEL RILASCIO DI IONI ....................................................................................................22

2.4.2. SCIENTIFIC PAPER ..................................................................................................................................22

2.5. CORROSIONE INDOTTA DA CELLULE BIOLOGICHE .......................................................................................23

2.6. TRIBOLOGIA ...............................................................................................................................................24

2.6.1. DEFINIZIONI...........................................................................................................................................24

2.6.2. USURA ...................................................................................................................................................24

2.6.3. MECCANISMI DI USURA .........................................................................................................................24

2

2.6.4. EFFETTI DELLA GEOMETRIA ...................................................................................................................25

2.6.5. CORROSIONE PER FATICA ......................................................................................................................25

2.7. PROVE DI RESISTENZA ALLA CORROSIONE ..................................................................................................26

2.7.1. NORME TECNICHE .................................................................................................................................26

2.7.2. SOLUZIONE ISOTONICA, O FISIOLOGICA .................................................................................................26

2.7.3. SOLUZIONI DI RINGER ............................................................................................................................26

2.7.4. STUDIO DELLA CORROSIONE PER FATICA ...............................................................................................27

2.7.5. STUDIO DELLA CORROSIONE PER SFREGAMENTO (TRA VITE E PLACCA DI OSTEOSINTESI)......................27

2.8. IL RUOLO DELLE SUPERFICI NEL COMBATTERE LA CORROSIONE ..................................................................27

2.8.1. LEGHE RESISTENTI ALLA CORROSIONE ...................................................................................................27

2.8.2. RIVESTIMENTI FUNZIONALI ...................................................................................................................29

2.8.3. SUPERFICI BIOINSPIRATE .......................................................................................................................30

3. MODIFICHE DI SUPERFICIE ..................................................................................................................................32

3.1. OSTEOINDUZIONE, OSTEOCONDUZIONE ED OSTEOINTEGRAZIONE ............................................................32

3.1.1. STRUTTURA DELL’OSSO .........................................................................................................................32

3.1.2. OSTEOINDUZIONE .................................................................................................................................32

3.1.3. OSTEOCONDUZIONE ..............................................................................................................................33

3.1.4. DEFINIZIONI DI OSTEOINTEGRAZIONE ...................................................................................................33

3.1.5. STUDIO DELL’OSTEOINTEGRAZIONE DI UN IMPIANTO ...........................................................................34

3.1.6. COSA SIGNIFICA AVERE OSTEOINTEGRAZIONE .......................................................................................34

3.2. TECNICHE DI MODIFICA DELLE SUPERFICI ...................................................................................................35

3.2.1. ESEMPIO DI LETTERATURA - DISPOSITIVI SPINE FUSION ........................................................................35

3.2.2. METODI TRADIZIONALI DI MODIFICA DELLE SUPERFICI ..........................................................................35

3.2.3. METODI MECCANICI ..............................................................................................................................36

3.2.4. METODI FISICI........................................................................................................................................37

3.2.5. METODI CHIMICI ...................................................................................................................................38

3.2.6. METODO KOKUBO .................................................................................................................................38

3.2.7. METODI ELETTROCHIMICI ......................................................................................................................39

3.2.8. METODI BIOCHIMICI ..............................................................................................................................40

3.3. LAVORAZIONI SUPERFICIALI NEGLI IMPIANTI DENTALI................................................................................41

3.3.1. TIPOLOGIE DI IMPIANTI DENTALI ...........................................................................................................41

4. BIOCERAMICI PER CHIRURGIA RICOSTRUTTIVA .................................................................................................43

4.1. CRITICAL BONE DEFECT (CBD) .....................................................................................................................43

4.1.1. NORMATIVE RIGUARDO IL CBD .............................................................................................................43

4.1.2. DIFFICOLTÀ DI DEFINIZIONE DEL CBD IN MODELLI IN VIVO ....................................................................44

4.2. GOLDEN STANDARD PER LA RIGENERAZIONE OSSEA ..................................................................................44

4.2.1. AUTOGRAFT ..........................................................................................................................................44

4.2.2. ALLOGRAFT ...........................................................................................................................................44

4.3. FRONTIERE INNOVATIVE NELLA RIGENERAZIONE OSSEA ............................................................................44

4.3.1. MATRICE OSSEA DEMINERALIZZATA ......................................................................................................45

4.3.2. BIOMATERIALI PER BONE GRAFT ...........................................................................................................45

4.4. BONE GRAFT SINTETICO: USO DI CALCIO-FOSFATI ......................................................................................45

4.4.1. IDROSSIAPATITE (HA) ............................................................................................................................46

4.4.2. CALCIOFOSFATI PIÙ PERFORMANTI DELL’IDROSSIAPATITE ....................................................................46

4.4.3. AMORPHOUS CALCIUM PHOSPHATES ...................................................................................................47

4.4.4. TRICALCIOFOSFATI.................................................................................................................................47

4.4.5. CALCIOFOSFATI BIFASICI ........................................................................................................................48

4.5. PROVE DI BIOATTIVITÀ ...............................................................................................................................48

5. INFEZIONI BATTERICHE .......................................................................................................................................49

5.1. ESPERIMENTO DELLA HARVARD MEDICAL SCHOOL ....................................................................................49

5.2. PROBLEMA CLINICO ...................................................................................................................................49

5.2.1. FATTORI CRITICI DEL PROBLEMA ...........................................................................................................50

5.2.2. FORMAZIONE E CARATTERISTICHE DEL BIOFILM ....................................................................................50

5.2.3. DEFICIT IMMUNITARIO E RISPOSTA OSTEOIMMUNE .............................................................................50

5.3. SOLUZIONI AL PROBLEMA DELLE INFEZIONI BATTERICHE............................................................................51

3

5.3.1. RILASCIO DI ANTIBIOTICI........................................................................................................................51

5.3.2. MODIFICHE SUPERFICIALI ......................................................................................................................52

5.3.3. SOLUZIONI REALI ...................................................................................................................................52

5.4. TEST DI ANTIBATTERICITÀ...........................................................................................................................53

5.5. FRONTIERE INNOVATIVE ............................................................................................................................54

6. ADDITIVE MANUFACTURING ..............................................................................................................................55

6.1. ASPETTI GENERALI .....................................................................................................................................55

6.1.1. COSTO ...................................................................................................................................................55

6.1.2. SOFTWARE USER-FRIENDLY ...................................................................................................................55

6.1.3. APPROCCIO PATIENT-BASED ..................................................................................................................55

6.1.4. FLESSIBILITÀ NEI PROCESSI ....................................................................................................................56

6.1.5. STRUTTURA DEL PEZZO .........................................................................................................................56

6.1.6. MATERIALI.............................................................................................................................................57

6.1.7. ANISOTROPIA ........................................................................................................................................57

6.1.8. LIMITAZIONI DELL’ADDITIVE MANUFACTURING ....................................................................................57

6.2. TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING ..................................................................................................58

6.2.1. POWDER BED FUSION (PBF) ..................................................................................................................58

6.2.2. ELECTRON BEAM MELTING (EBM) .........................................................................................................58

6.2.3. DIRECT METAL LASER SINTERING (DMLS) ..............................................................................................58

6.2.4. HP MULTIJET FUSION ............................................................................................................................58

6.2.5. HOT ISOSTATIC PRESSING ......................................................................................................................59<