Biomateriali 2 - Prof. Farè

TECNOPOLIMERI

Sono classificati come materiali polimerici con alte prestazioni, cioè con caratteristiche molto simili a quelle

di materiali appartenenti ad altre classi. In particolare alcune caratteristiche li fanno somigliare ai materiali

metallici: elevati carichi di resistenza meccanica, all’usura, ad agenti chimici. La differenza tra questa classe

di materiali e gli altri è che le prestazioni sono notevolmente superiori: la degradazione sarà estremamente

lenta o praticamente assente, cioè si parla di materiali totalmente stabili. I materiali polimerici con alte

prestazioni che si possono sostituire ai materiali metallici hanno come plus il fatto che il metallo può andare

incontro a corrosione, hanno inoltre una bassa densità rispetto ai materiali metallici.

Poliimmidi. Possiamo avere due configurazioni diverse, cioè il gruppo può essere o in catena o ciclico

legato ad un anello aromatico. La seconda struttura ha caratteristiche meccaniche superiori rispetto a

quella lineare, poiché vi è la presenza dell’anello aromatico e della ciclicità stessa. Il materiale in questo

caso è stabile anche a T elevate (480°C) perciò abbiamo ambiti di applicazione più vasti rispetto ai materiali

tradizionali. Abbiamo una buona resistenza all’usura garantita anche dalla presenza dell’anello aromatico.

Questi materiali, hanno tuttavia dei costi che possono arrivare fino a 10 volte quelli dei material tradizionali

per questo fare ad esempio delle coppe acetabolari in questi materiali non è conveniente. Questi materiali

possono essere impiegati in ambito biomedicale come matrice in materiali compositi grazie alle alte

prestazioni meccaniche. Possono essere impiegati anche per la strumentazione medica per la grande

stabilità termica e prestazioni meccaniche, cioè non vanno incontro a possibile rottura e sono anche inerti

chimicamente.

Polisolfoni. Sono anche questi utilizzati in ambito biomedicale (applicazioni ortopediche). Abbiamo il

gruppo solfone e la presenza di anelli aromatici che determinano una struttura meccanicamente rigida e

inerte chimicamente. La tenacità di questi materiali è data dai legami etere presenti in catena. La rottura

sarà più di tipo duttile piuttosto che di tipo fragile, aspetto vantaggioso dal punto di vista degli impianti.

Anche in questo caso è impiegato per la realizzazione di strumentari chirurgico e per la realizzazione di

membrane per ossigenatori. Un esempio di composito che si può realizzare è una matrice di polisolfone

caricato con fibre di C. Le fibre di C che sono fragili e rigide e darebbero problemi nel caso di degradazione

della matrice determinando una risposta infiammatoria, tuttavia in questo caso il polimero impiegato non è

degradabile. Questi compositi possono essere impiegati per la realizzazione di placche di osteosintesi ma

anche steli femorali perché possiamo esporre le fibre all’interno della matrice in modo da mimare le

caratteristiche meccaniche presenti all’interno del femore che non sono costanti lungo tutta la struttura.

Polietere chetoni. Sono caratterizzati dalla presenza di gruppi chetonici che si possono alternare a gruppi

etere nella catena polimerica. Sono polimeri lineari e la presenza di gruppi chetonici fa si che si abbia una

grande resistenza. Uniscono grandi prestazioni meccaniche ed elevata leggerezza. È utilizzato in

applicazioni biomediche sia come materiale tale e quale che come compositi.

Il PEK ha solo un gruppo etere mentre il PEKK ha due gruppi chetonici ma quello che a noi interessa è il

PEEK. È impiegato principalmente in applicazioni ortopediche oppure laddove abbiamo componenti che

possono andare incontro ad usura. La sua struttura lineare determina un’alta cristallinità (alta resistenza

all’idrolisi) e quindi delle ottime caratteristiche meccaniche insieme ad una bassa densità. È inerte

biologicamente (cioè è inerte chimicamente ma è anche inerte dal punto di vista della reazione

infiammatoria). Per contro abbiamo alcuni svantaggi cioè l’alto costo, la difficile processabilità poiché

abbiamo una struttura particolarmente rigida e molto resistente anche ad elevata temperatura. Può andare

incontro a fenomeni di degradazione in seguito all’esposizione UV che tuttavia riguarderà solo la superficie.

Abbiamo in slide 11 un primo flesso che indica la Tg e un picco corrispondente alla T di fusione. Per questo

materiale avendo una Tg molto elevata avrebbe poco senso fare delle caratterizzazioni a 25 e a 37 °C

poiché non vedremmo alcuna alterazione.

Possiamo avere il PEEK o in forma di granuli o di semilavorati. Se è in granuli possiamo fare injection

molding, compression moding, estrusione, ecc. Se ho un semilavorato (barra o lastra) vado a lavorare

tramite tecniche di lavorazione meccaniche (fresatura, tornitura).

(Slide 16) Più il valore di melt flow index è basso e più il materiale tenderà ad essere viscoso. Dal primo

all’ultimo avrò un polimero che avrà un PM più basso.

Per ottenere un composito ci sono due metodi. 1) Possiamo prendere il materiale polimerico e inserire

nella matrice rammollita le fibre che costituiscono il riempitivo, oppure 2) partendo da granuli di materiale

già compositi. Si parte da componenti con morfologia e dimensione differente che difficilmente si

amalgamo bene tra loro, per questo per evitare zone più o meno concentrare è bene partire da granuli di

materiale. Otteniamo prima granuli di composito, dopodiché li prendo e li processo come voglio, cioè faccio

la lavorazione che è più consona all’oggetto che voglio realizzare. Utilizzando questo approccio otterrò una

disposizione del riempimento più omogeneo rispetto all’uso diretto di PEEK e fibre di C. Questo viene fatto

utilizzando un twin-screw che permette di unire le fibre di C ad un materiale polimerico già rammollito

favorendo l’amalgamazione.

Le prestazioni di questi materiali possono essere simili a quelli metallici e questo è quello che può essere

osservato nella slide 21. Il composito con fibre di C permette di migliorare la resistenza a flessione del PEEK

che di per se è piuttosto bassa. Il solfato di bario è utilizzato come radiopacizzante.

Le possibili applicazioni sono coating realizzato con PEEK + idrossiapatitie o Ti e idrossiapatite realizzato con

tecnica plasma spray. Il PEEK è ben adeso al materiale e funziona un po’ da carrier per l’HA. Il PEEK è inerte

e da solo non consentirebbe l’adesione all’osso, mentre l’HA favorisce l’osteointegrazione. Facendo un

plasma spray di Ti ho una rugosità che permette di stabilizzare il legame tra osso e materiale polimerico

dopo che l’Ha è stata assorbita. Possiamo utilizzare il PEEK per pompe intracardiache per chirurgia mini-

invasiva o per la realizzazione di placche per la ricostruzione cranica. Queste possono essere realizzate in

PMMA, in reti di Ti o in PEEK. Il vantaggio del PEEK è di non essere conduttore termico e quindi non ho

problemi di riscaldamento, di essere leggero e con ottime prestazioni meccaniche.

LEZIONE 6 – 19-05-17

Polimeri conduttori. I polimeri per loro non sono conduttori ma lo possono diventare introducendo dei

droganti. Questa conducibilità può essere utilizzata per far cambiare colore a questi materiali ma anche per

realizzare dei materiali che possono essere utilizzati in alternativa ai metalli laddove c’è bisogno di

caratteristiche particolari. Oltre ad una variazione della conducibilità elettrica possiamo avere anche delle

variazioni nelle proprietà ottiche, nelle dimensioni e nelle caratteristiche meccaniche. Con i materiali

metallici ciò non è possibile se non in circostanze particolare, abbiamo quindi la possibilità di avere una

variazione dimensionale che è sicuramente maggiore rispetto a quella che potremmo ottenere utilizzando

altri materiali ed è questo il motivo per cui questi materiali sono impiegati come attuatori. Vengono quindi

impiegati con grande vantaggi sia come attuatori che come sensori.

Questi materiali sono importanti dal punto di vista biomedicali poiché hanno la possibilità di andare

incontro a deformazioni anche elevate (applicando ad esempio un campo elettrico) e questo fa si che questi

materiali possano essere studiati per la realizzazione di muscoli artificiali (non rigenerazione del muscolo)

andando a riparare una parte danneggiata con materiali sintetici in grado di svolgere una funzione analoga

al muscolo.

Nella slide 61 abbiamo un idrogelo immerso in una soluzione in cui posso avere molecole o farmaci. Nel

momento in cui attivo il campo elettrico l’idrogelo passa nella configurazione swollen e assorbendo l’acqua

assorbirà anche le molecole di interesse. Una volta disattivato il campo, il materiale sarà in grado di

rilasciare le molecole. La conduttività del materiale viene quindi sfruttata per assorbire e rilasciare le

molecole o i farmaci. Qui non abbiamo un polimero che si degrada e che rilascia delle sostanze ma è uno

stimolo esterno che permette di rilasciare le molecole.

Ci sono delle patologie che portano ad un problema nell’apertura e chiusura dell’occhio. La palpebra tende

a rimanere sempre aperta determinando un problema non solo fisico ma anche psicologico per il paziente.

Per risolvere questo problema si è pensato di usare un polimero conduttore collegato ad una batteria.

Questo farà da ON/OFF per aprire e chiudere la palpebra dell’occhio.

Polimeri a memoria di forma. Sia i materiali polimerici, metallici che quelli ceramici hanno la proprietà di

memoria di forma. Non si lavora molto sui materiali ceramici poiché è difficile ottenere una variazione

dimensionale ampia.

Il materiale con la proprietà di memoria di forma può acquisire una forma temporanea per poi recuperare,

quando sollecitato con un certo stimolo, una forma permanente fissata nel processo di lavorazione.

Lo stimolo non è solo la temperatura ma possono essere usati anche altri stimoli per sfruttare la memoria

di forma. La proprietà di memoria di forma si sviluppa nei metalli per una variazione nel reticolo cristallino

(austenitico martensitico). Il materiale polimerico non ha, tuttavia, una struttura reticolata organizzata

per questo la memoria di forma nei materiali polimerici non si basa sul passaggio da una forma cristallina

all’altra. Ciò che caratterizza il materiale polimerico è la struttura amorfo-cristallina, piuttosto che nodi di

reticolazione e blocchi di materiale polimerico differente. Quello che viene sfruttato nei materiali polimerici

è un arrangiamento delle catene macromolecolari tali per cui si abbia un comportamento diverso alle

diverse temperatura. Un materiale