Biomateriali 1

MATERIALI CERAMICI AVANZATI

I materiali ceramici avanzati partono dall'impiego dell'allumina e sono poi stati sviluppati compositi ceramici inceramici e sono i materiali più avanzati. I materiali ceramici avanzati nel tempo sono sempre stati considerati qualcosa di nicchia da utilizzare solo in mancanza di alternative, in realtà il grafico mostra un grande aumento dell'impiego dei ceramici per realizzare articolazioni, in particolare l'articolazione ceramica su ceramica è molto più utilizzata ed è la scelta principale. In particolare la barra nera (ceramico su ceramico) e la barra bianca è ceramico su PE. L'accoppiamento ceramica-ceramica ha la minor usura in assoluta e non è male neanche l'accoppiamento ceramica-PE. Il biolox è un materiale rivoluzionario che ha cambiato lo stato dei ceramici da materiali di nicchia a materiali di prima scelta. Il primo ceramico da cui si parte è l'allumina, usata

perdita dell'impianto. Inoltre, l'allumina è fragile e può rompersi facilmente in caso di stress meccanico. Un altro materiale ceramico utilizzato è il biossido di zirconio, che ha una maggiore biocompatibilità rispetto all'allumina. È anche più resistente e meno fragile, ma ha un coefficiente di attrito leggermente più alto. Un altro vantaggio dei materiali ceramici è la loro resistenza alla corrosione. Sono in grado di resistere all'azione di sostanze chimiche aggressive e all'umidità senza subire danni. In conclusione, i materiali ceramici sono utilizzati in diversi settori grazie alle loro proprietà uniche. Sono resistenti, duri, stabili e biocompatibili, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono materiali durevoli e sicuri.mobilizzazione delle protesi. Un altro svantaggio è che bisogna essere accurati nella lavorazione, una variazione nella produzione comporta dei gravi problemi perché causa la rottura fragile nel tratto elastico e questo nel corpo umano non dà modo di intervenire perché è un evento imprevedibile. La cella cristallina ha gli ossigeni ai vertici della cella e l'alluminio occupa posizioni interstiziali che possono essere facilmente scambiabili con altri ioni, permettendo di ottenere, per esempio, rubini e zaffiri. Questo testimonia che la struttura non è estremamente stabile. Non si possono inserire tutti i tipi di atomi ma devono avere una certa dimensione. Il primo passo avanti si è avuto quando si ha cominciato a verificare la granulometria delle polveri. Si parte da polveri di elevata purezza e si cerca di controllare i grani e la loro crescita controllando la temperatura a cui avviene lasinterizzazione: la polvere viene scaldata, i grani si compattano formando dei colli tra i grani, diminuisce la porosità e le poveri compattate vanno a formare il pezzo. Nella lavorazione concorrono due effetti:

• Presenza dei bordi di grano
• Porosità

Delle polveri più fini diminuiscono le porosità che vengono inglobate durante la produzione. Quello che si fa è usare grani fini distribuiti in maniera omogenea che originano una struttura estremamente regolare. Se si usa una polvere micrometrica si possono avere pezzi in allumina che hanno miglior resistenza a fatica, miglior resistenza a compressione e risultano essere più tenaci e duri, importante per la resistenza ad abrasione. Inoltre è molto più difficile scalzare particelle da una matrice composta da particelle fini. Questo riduce il distacco di particelle in seguito all'usura. L'allumina ha tuttavia una tenacità a rottura più bassa di quella di un

Materiale metallico ed è estremamente difficile posizionare questi oggetti, un minimo errore nel posizionamento causa la formazione di sforzi locali che portano alla formazione e alla propagazione di cricche. La sterilizzazione in autoclave può portare alla formazione di cricche e diminuire la tenacità a rottura.

Per migliorare la situazione si parte dalle polveri che devono avere composizione chimica definita e si cambia il tipo di lavorazione, in particolare la tecnica HIP (isostatica a caldo) riduce la porosità, il numero di vuoti e si controlla meticolosamente il processo di sinterizzazione, la temperatura è elevata ma comunque precisa, si favoriscono i processi di diffusione allo stato solido. In questo modo le particelle tendono a unirsi e il pezzo a compattarsi, diminuendo il volume e la porosità, si forma una struttura continua, si formano i bordi di grano creando un materiale più cristallino e ipoteticamente la porosità sparisce.

Si cerca di arrivare ad una densità del 100% e il pezzo passa a dimensioni più piccole. In questa contrazione possono esserci difetti macroscopici tali per cui la contrazione può non essere uguale in tutte le parti del dispositivo. Oppure possono esserci difetti microscopici e situazioni per cui la sinterizzazione è incompleta, i grani hanno avuto coalescenza formando grossi grani e una struttura quindi disomogenea. Questo accade perché non sono state controllate le temperature di raffreddamento che sono fondamentali. Usare queste tecniche molto controllate ha portato vantaggi, tuttavia i veri miglioramenti si hanno con le nuove formulazioni di materiali ceramici che sono veri e propri compositi formati da matrice e riempitivo. In questo caso la matrice e anche il riempitivo sono materiali ceramici. 53Lazzari Martina Biomateriali [1]aa 2018-2019La zirconia esiste in diverse fasi cristalline: monoclina, tetragonale, cubica a facce centrate. Quella stabileLa temperatura ambiente è la monoclina mentre la tetragonale ha le migliori caratteristiche meccaniche e di resistenza a fatica. Bisogna, quindi, stabilizzare la tetragonale a temperatura ambiente.

Un altro punto è che cambiando fase cristallina cambia la cella elementare e cambia il volume occupato dagli atomi: nella monoclina gli atomi sono più distanti tra loro e a parità di atomi la monoclina avrà dimensioni maggiori rispetto alla tetragonale.

Se si lavora qualcosa in fase tetragonale una volta raffreddata si trasforma in monoclina e aumenta di volume. Questa variazione dimensionale può non avvenire in maniera omogenea e il pezzo ceramico si rompe per gli stress indotti dalle dimensioni delle zone che cambiano cella cristallina. Questa variazione di dimensioni può essere sfruttata anche per tenacizzare la zirconia. Questo è possibile perché se invece di avere ampie zone tetragonali che si trasformano in monoclina si hanno zone a

dimensione nanometrica non in contatto tra di loro. Con la propagazione di una cricca le zone nanometriche diventano monocline chiudendo la cricca senza rompere il pezzo. Si hanno diversi tipi di zirconia:

• PSZ (parzialmente stabilizzata): in cui si hanno zone a matrice cubica tetragonale. Nella trasformazione da cubica tetragonale a monoclina si ha l'aumento di volume con conseguente chiusura delle cricche. Questo riduce problemi di frattura. Questa microstruttura è difficile da ottenere, tanto è che ci sono situazioni in cui si trovano le testine femorali completamente distrutte.
• Il processo di frattura è mediato dalla temperatura corporea e dall'umidità. Questo capita perché si altera la microstruttura cambiando il sistema di lavorazione. Si è passati da lavorazione batch che prevede l'inserimento del pezzo in un forno e la sua conseguente estrazione dopo un periodo di tempo ad un sistema a tunnel dove le testine scorrono in

Un forno e ne escono. È cambiato il tempo necessario per raffreddarlo: nel sistema a tunnel il raffreddamento era rapido (40 ore) rispetto a quello a batch che era di 70 ore alterando la microstruttura. 54 Lazzari Martina Biomateriali [1] aa 2018-2019

• TZP (totalmente stabilizzata)

Quello che si è fatto è avere una matrice di allumina tenacizzata con zirconia tetragonale (ZTA) oppure allumina che tenacizza la zirconia (ATZ). Nell'allumina usata come matrice ci sono grani di zirconia in fase tetragonale che si trasforma in monoclina aumentando di volume e chiudendo le cricche. L'energia viene trasformata in cambiamento di fase.

L'ultimo tipo di materiale è la ZPTA dove oltre ad avere zirconia nell'allumina ci sono anche precipitati lenticolari in modo che il percorso della cricca venga sbarrato e segua un percorso tortuoso che dissipa energia, bloccando la propagazione della cricca. Generalmente questi precipitati sono di un ossido, l'ossido

di stronzio. Aggiungendo l'ossido di cromo si pensa di aumentare la durezza superficiale, aumentando la resistenza all'abrasione. Si è riscontrato che, tuttavia, la quantità di ossido inserita non aumenta la durezza. Usando tenoripiù alti di ossido si aumenterebbe effettivamente la durezza. Il biolox è un materiale ceramico e brevettato che ha rivoluzionato il suo uso. È un materiale particolarmente stabile e accettato dai tessuti corporei. Ha superficie liscia e la durezza permettono di ridurre al minimo l'usura. Da studi è emerso che l'uso di protesi ceramiche diminuisce la probabilità di necessità di interventi di revisione. Il primo biolox che è stato utilizzato è il biolox forte che non aveva elevata tenacità ed è stato sostituito dal biolox delta che è costituito anche da ossido di stronzio, ittrio e di cromo. L'ossido di stronzio va a definire delle particelle che aumentano lautilizzano diversi metodi di miglioramento del materiale, come l'aggiunta di additivi o la modifica della sua struttura molecolare. Ad esempio, l'aggiunta di particelle di ittrio può aumentare la stabilità dell'UHMWPE, mentre l'aggiunta di cromo può aumentare la sua durezza. Tuttavia, è importante notare che l'aggiunta di cromo in quantità elevate potrebbe non aumentare la durezza in questo caso specifico. L'UHMWPE è ampiamente utilizzato negli inserti tibiali delle protesi di ginocchio e nelle articolazioni delle protesi d'anca a causa della sua eccezionale resistenza all'usura. Tuttavia, è importante sottolineare che questa resistenza all'usura non è infinita e che l'UHMWPE può generare particelle di usura nel tempo. Queste particelle possono causare problemi come osteolisi, mobilizzazione asettica, risposta da terzo corpo e risposta infiammatoria, che devono essere assolutamente evitati. Per prevenire la generazione di particelle di usura e migliorare le prestazioni dell'UHMWPE, vengono adottati diversi approcci. Ad esempio, vengono utilizzati additivi come l'ittrio per aumentare la stabilità del materiale e ridurre la generazione di particelle. Inoltre, vengono effettuate modifiche alla struttura molecolare dell'UHMWPE per migliorarne le proprietà meccaniche e ridurre l'usura. In conclusione, l'UHMWPE è un materiale con eccellenti proprietà di resistenza all'usura, ma è soggetto alla generazione di particelle di usura nel tempo. Per migliorare le sue prestazioni e prevenire problemi associati, vengono adottati diversi metodi di miglioramento, come l'aggiunta di additivi e la modifica della sua struttura molecolare.è lavorato moltissimo sul polietilene. Partiamo a studiare il polie