Bioingegneria chimica (biomateriali)

Biomateriali e biocompatibilità

I biomateriali sono quelli impiegati per la realizzazione di protesi e dispositivi biomedicali. Sono quindi tutti quei materiali che si intende interfacciare con i sistemi biologici allo scopo di valutare, monitorare, trattare, accrescere o facilitare la rigenerazione di tessuti, organi o funzioni del corpo umano.

Invece con biocompatibilità si intende la capacità di un biomateriale/dispositivo di svolgere la funzione senza interferire con i meccanismi fisiologici e riparativi dell’organismo umano.

Materiali

Sono un aggregato di molecole con determinate caratteristiche chimico-fisiche utilizzabili in vari ambienti applicativi. Molecole che si trovano aggregate grazie alla presenza di opportuni legami chimici o fisici e che sono in grado di opporre una adeguata reazione alle sollecitazioni meccaniche.

Si può anche andare a modificare le proprietà di un materiale e per farlo si va ad effettuare un cambiamento nella struttura. Le principali proprietà di un materiale sono le seguenti:

• Chimiche: degradabilità, stabilità
• Fisiche: temperatura, stimoli magnetici, stimoli elettrici
• Meccaniche: risposta all’azione di forze

Per quanto riguarda il livello atomico, la struttura è correlata al tipo di atomi e da come questi sono legati tra di loro. I solidi infatti possono essere organici (C, H, O, N) oppure inorganici.

Tipologie di materiali

Per quanto riguarda il livello nano e micro, i materiali si suddividono in:

• Metallici: sono inorganici e composti da atomi metallici, presentano una struttura cristallina
• Ceramici: sono dati dalla combinazione di atomi metallici e non metallici
• Organici: lunghe catene di C a cui sono legati covalentemente altri atomi

Si parla di molecole se l’aggregato di atomi è unito da legami covalenti. Un altro fattore che influenza le proprietà è l’organizzazione spaziale, la quale dipende dalle dimensioni degli atomi.

Struttura cristallina e difetti

Per quanto riguarda il livello macro, si osserva una struttura cristallina ordinata. Atomi o gruppi di atomi si organizzano in strutture periodiche. Si può osservare una cella elementare che è la singola unità che si ripete nella struttura cristallina. Possono essere semplici (hanno punti reticolari solo nei vertici della cella) o multiple (hanno punti reticolari all’interno che possono essere nel baricentro delle basi o delle facce).

Vi sono poi 14 modi possibili, reticoli di Bravais, per andare a disporre ordinatamente nello spazio atomi, molecole o gruppi di atomi. In genere si usano solidi policristallini cioè fatti da zone cristalline dette grani e da zone di separazione dette bordi di grano (sono dei difetti). La possibilità di avere più o meno grani e di avere grani più o meno grossi va ad alterare le proprietà.

Ad esempio, i materiali policristallini sono isotropi poiché hanno le stesse proprietà lungo tutte le direzioni, mentre i materiali cristallini sono anisotropi, che si osserva quando i grani hanno un orientamento preferenziale.

Il cristallo ideale nella pratica non esiste e quelli reali hanno molti difetti. Tramite questi difetti possiamo andare a modificare le proprietà. Esistono diversi tipi di difetti:

• Puntiformi (vacanze, atomi interstiziali, atomi estranei sostituzionali): nel caso di vacanze abbiamo le posizioni reticolari che non sono occupate da nessun atomo, è permesso il movimento degli atomi da un nodo reticolare all’altro. Nel caso di atomi interstiziali abbiamo atomi dello stesso elemento metallico o di un elemento diverso che non occupano una normale posizione reticolare, il reticolo risulta deformato e in uno stato tensionale. Nel caso di atomi sostituzionali abbiamo atomi estranei che occupano posizioni reticolari, questi difetti vengono usati in elettronica per aumentare la conducibilità del semiconduttore.
• Superficiali (bordi di grano): sono tipici dei materiali policristallini, si originano durante la solidificazione del materiale. Si tratta di regioni in cui non esiste l’ordine cristallino e due o più grani adiacenti si adattano l’uno con l’altro.
• Lineari/dislocazioni (ad elica, a spigolo): si tratta di difetti collocati lungo i piani reticolari nei cristalli e dovuti alla successione di atomi collocati in punti non coincidenti con le esatte posizioni reticolari. Quelli a spigolo hanno in una parte del cristallo un piano in più rispetto al reticolo perfetto. Quelli a elica invece consistono in una rampa a spirale di atomi spostati rispetto alla posizione del reticolo perfetto. Sono quei difetti tipici della deformabilità dei materiali metallici, infatti permettono lo scorrimento delle dislocazioni con rottura di un limitato numero di legami atomici.

Polimorfismo e allotropia

A parità di atomi possono esistere diverse forme cristalline, lo stesso atomo si organizza nello spazio in modi diversi e quindi la cellula elementare assume forme diverse. Il carbonio, ad esempio, si può presentare come grafene, diamante o forme allotropiche. Qualora, invece di avere un singolo atomo, ci siano atomi diversi che si organizzano in strutture cristalline differenti si parla di polimorfismo. In particolare, possiamo osservare i solidi amorfi (se manca un ordine sistematico a lungo raggio) e i solidi semicristallini (se si tratta di un insieme di strutture amorfe e cristalline).

Proprietà meccaniche dei materiali

Quando voglio capire le caratteristiche di un materiale, lo sottopongo a un carico. Ci sono materiali che si deformano facilmente anche con un piccolo sforzo e viceversa. A e B sono rigidi con A che ha una deformazione plastica e fragile mentre B è anche elastico. C invece è duttile.

In generale, la risposta dei materiali dipende dal carico applicato, dal tempo e dalla temperatura. Lo sforzo è il carico per unità di area (forza perpendicolare alla sezione) mentre la deformazione è il cambiamento di dimensioni provocato dallo sforzo.

Comportamento elastico e plastico

Il rapporto di Poisson descrive le deformazioni elastiche che un materiale subisce nelle tre direzioni. Il modulo elastico è una costante che indica la capacità di un materiale di subire deformazioni, si parlerà quindi di rigido o flessibile. La deformazione plastica è irreversibile, quella elastica invece è reversibile e associata a basse deformazioni. Il punto in cui si ha il passaggio da elastico a plastico prende il nome di sforzo di snervamento.

In alcuni casi, nel passaggio da elastico a plastico, il provino si assottiglia e questo fenomeno prende il nome di strizione. Si parla di sforzo e deformazione nominale quando le dimensioni si considerano costanti, invece si parla di sforzi e deformazioni reali quando si considera la variazione.

Durezza, tenacità e resilienza

La durezza è una misura della resistenza di un materiale a una deformazione plastica localizzata, è relativa alla superficie. La tenacità è la quantità di energia assorbita da un materiale prima della sua rottura. B è più rigido ma meno tenace di B’. Possiamo quindi definire B come materiale fragile e B’ come materiale duttile. La resilienza è l’energia assorbita similmente alla tenacità ma solo durante la deformazione elastica. Materiali duttili e fragili si differenziano anche in base alla tipologia di frattura che subiscono.

Fatica e stabilità

La fatica è una sollecitazione periodica con cicli di carico e scarico prolungati nel tempo che possono portare a rottura anche a bassi sforzi. La stabilità è il mantenimento della performance di un materiale. Infatti, un processo meccanico può portare a usura, fatica o creep. Invece, un processo chimico può portare a ossidazione, reticolazione, degradazione, corrosione o solubilizzazione. L’usura può essere di tre tipologie: adesiva (quando ho 2 materiali uno più duro dell’altro e vi è affinità), abrasiva da terzo corpo (comporta la presenza di una particella abrasiva) o per fatica.

Sterilizzazione e tecniche

La sterilizzazione è necessaria per evitare l’insorgere di infezioni, con sterilizzazione si intende l’eliminazione o distruzione di organismi viventi. Esistono 4 diverse tecniche:

• Autoclave: con calore + vapore, provoca una denaturazione delle proteine e degrada i lipidi. Si usa un vapore tra i 121 e i 134 °C e poi un apposito confezionamento.
• Radiazioni: ionizzano componenti cellulari portando alla morte della cellula.
• Ossido di etilene: alchilazione dei gruppi amminici degli acidi nucleici. Si tratta di un gas tossico a 1 parte per milione ma l’odore può essere percepito a concentrazioni di 700 ppm.
• Filtrazione: filtro con buchi < 2 µm o calore (fiamma, vapore, bollitura).

Tra i vantaggi dell’autoclave abbiamo l’efficacia, la velocità, la semplicità di processo e il non esserci rischi di tossicità. Tra gli svantaggi invece abbiamo la non applicabilità a materie plastiche o a materiali sensibili a calore e vapore.

I materiali biomedicali sono però principalmente plastici, per questo si usa l’ossido di etilene. Nonostante sia altamente esplosivo e infiammabile, è molto efficace. Il processo di sterilizzazione dura molte ore perché bisogna garantire la rimozione dei residui. Tra i vantaggi abbiamo l’alta efficienza e gli effetti termici trascurabili, mentre tra gli svantaggi abbiamo la tossicità, i residui, possibili modifiche nella struttura dei polimeri e il non poter usare subito gli oggetti sterilizzati.

Per quanto riguarda le radiazioni vengono fatte tramite un fascio elettronico o raggi gamma; tra i vantaggi abbiamo l’alta efficacia, gli effetti termici trascurabili e il non avere problemi nell’impacchettamento. Non sempre la sterilizzazione è possibile nella sede di un’azienda, questo è un problema poiché durante il trasporto i batteri proliferano, i quali, anche se vengono uccisi, lasciano detriti nocivi detti bioburden.

Un’ulteriore possibilità di sterilizzare è quella con plasma freddo, dopo essere stati esposti a plasma vengono trattati con perossido d’idrogeno. Tra i vantaggi abbiamo la compatibilità con i materiali polimerici, la buona efficacia e il poter usare i materiali non appena sono stati rimossi dallo sterilizzatore. L’azienda è obbligata a fornire dispositivi biomedici sterilizzati. Con l’autoclave o con il plasma è facilmente gestibile, con le radiazioni e l’ossido di etilene occorrono appositi impianti e non si può fare nel sito di produzione.

Biomateriali metallici

I materiali metallici si usano prevalentemente a livello ortopedico. Sono tutti quei dispositivi che vanno a sostituire parti di ossa o ossa intere. La prima importante tipologia è quella degli impianti permanenti.

Protesi d'anca

Composta da una parte, lo stelo femorale, che va nell’osso lungo (femore) al quale si collega una testina che è la parte sferica superiore. La parte di congiunzione tra lo stelo e la testina femorale è detta metal break. Vi è poi un’altra componente che si inserisce nel bacino ed è la coppa acetabolare che è quella su cui giace la protesi.

Protesi di ginocchio

La parte che va nella tibia si chiama piatto tibiale, mentre quella che si inserisce nel femore si chiama condilo femorale. La parte che si frappone tra le due componenti metalliche è fatta di polietilene.

Esistono poi anche altre tipologie di protesi, ad esempio quelle di tipo provvisorio che sono: fissatori esterni, distrattori e mezzi di osteosintesi. Ad esempio, esistono chiodi endomidollari che riallineano le ossa. Nel caso di colonna vertebrale, poi, posso avere dispositivi che vanno a mimare i movimenti di compressione.

Altri settori in cui posso usare i materiali metallici sono principalmente quello odontoiatrico e quello cardiovascolare. Anche se potrei usare tutti i metalli, in pratica quelli usati sono solamente 6 e con solo questi posso passare dalle proprietà che deve avere la protesi d’anca a quelle degli aghi di sutura.

Caratteristiche dei metalli

I metalli legano i loro atomi in un reticolo mediante legame metallico, la mobilità degli elettroni porta a buona conducibilità e lucentezza. La caratteristica che più interessa è l’elevata resistenza meccanica e la tenacità. Anche il peso specifico risulta fondamentale per la biocompatibilità. Altra caratteristica fondamentale è la struttura cristallina e in particolare i relativi difetti grazie ai quali posso ottenere le proprietà di cui ho bisogno.

Questo lavoro viene fatto andando a gestire la dimensione dei grani (difetti di superficie) grazie a lavorazioni a differenti temperature. Lavorando a basse temperature si ottengono fratture nel cuore del grano e bordi resistenti, inoltre con queste temperature posso anche aumentare il modulo elastico, mentre con le alte temperature si creano fratture nei bordi.

Le dislocazioni (difetti lineari) conferiscono ai materiali duttilità rendendo possibile la deformazione. Se più dislocazioni si incontrano, queste si impilano e si verifica l’incrudimento del materiale, ovvero si irrigidisce e serve uno sforzo maggiore per farle avanzare. Se questo fenomeno succede ad alte temperature invece si verifica la ricristallizzazione, cioè la struttura si riassesta e le dislocazioni diminuiscono.

Infine, si possono trovare anche difetti di punto che garantiscono la possibilità di un passaggio tra le strutture cristalline differenti (allotropia) e andando a controllare la transizione tra due forme cristalline posso controllare le proprietà. Sempre i difetti di punto aiutano anche nella formazione delle leghe metalliche.

Leghe metalliche

I 6 metalli si usano quasi sempre in lega e mai puri. Le leghe sono la combinazione di due o più elementi in uno stesso reticolo cristallino. Possono farne parte anche elementi non metallici come azoto e carbonio (leghe ferro-carbonio che portano ad avere acciai e ghise). Posso ottenere una lega metallica a partire da soluzioni solide interstiziali o sostituzionali, da fasi intermedie o da presenza di più fasi.

Importante è quindi definire che cos’è una fase, ovvero una porzione omogenea di un sistema con proprietà uniformi. Ogni fase ha proprietà distinte ed esiste una superficie di separazione. Le leghe sono soluzioni solide, cioè un solido in un altro solido; per questo invece di parlare di concentrazione si parla di tenore, come nelle soluzioni liquide abbiamo un limite di solubilità che dipenderà dalla temperatura.

• Soluzioni solide sostituzionali: se gli atomi hanno le stesse dimensioni, un elemento prende il posto dell’altro (es. Au/Ag)
• Soluzioni solide interstiziali: uno dei due atomi è molto piccolo, non è un metallo e vanno ad occupare gli spazi vuoti. Se questi atomi sono troppi possono distorcere il reticolo (limite di solubilità)
• Fasi intermedie: sono fasi costituite da reticoli cristallini differenti in quanto si organizzano in modo diverso dalla sostanza pura cosi da essere più stabili.
• Più fasi: si verifica quando si arriva a un certo tenore oltre il limite di solubilità

Diagrammi di stato delle leghe

Fondamentali per lo studio delle leghe metalliche sono i diagrammi di stato, ovvero quei grafici che definiscono quali specifiche fasi esistono all’equilibrio e quali trasformazioni si possono aspettare al variare di uno dei parametri. La linea di solubilità separa le diverse fasi presenti, quindi posso leggere le fasi e la loro composizione chimica.

I sistemi possono essere più o meno complessi, ovvero binari isomorfi (se c’è una completa solubilità tra i due componenti) o binari eutettici (se c’è una limitata solubilità tra i due componenti). Vi sono poi anche i sistemi binari eutettoidi che separano una fase solida da due nuove fasi solide.

Una famosa lega è quella Fe-C, è di tipo interstiziale e viene definita acciaio se la lega ha un tenore compreso tra lo 0,06% e il 2,06%, invece viene definita ghisa se ha un tenore > del 2%. Il diagramma di stato mostra le 4 diverse fasi solide: ferrite-α, austenite-γ, ferrite-δ e cementite. Stando negli acciai ad alte t si ha l’austenite che ha le caratteristiche di resistenza meccanica d’interesse. Per passare da una forma all’altra uso i trattamenti termici, mediante raffreddamento posso passare da austenite a martensite (fuori dal diagramma di stato, molto resistente e usata nei bisturi).

Quindi fondamentali sono i trattamenti termici.