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Caratteristiche*dello*stato*solido*

Le# proprietà# macroscopiche# della# materia# sono# la# conseguenza# di# come# interagiscono# a# livello# microscopico# le#

particelle# che# la# costituiscono;# in# particolare# è# determinante# il# tipo# di# legame# presente.# Nei# solidi# la# libertà# di#

movimento# delle# particelle# è# praticamente# nulla,# sono# possibili# solo# minime# oscillazioni# attorno# alle# posizioni# di#

equilibrio.# I# solidi# si# dividono# in# amorfi# e# cristallini.# Nei# solidi# amorfi# la# disposizione# delle# particelle# è# molto#

disordinata# (una# sorta# di# liquido# ad# altissima# viscosità).# Essi# non# fondono# ad# una# temperatura# precisa,# ma# in# un#

intervallo#di#fusione#nel#quale#prima#rammolliscono#e#poi#diventano#liquidi.#Possiedono#proprietà#isotrope,#ovvero,#

che# non# dipendono# dalla# direzione# in# cui# si# analizza# la# sostanza# stessa.# Nei# solidi# cristallini# la# disposizione# delle#

particelle#è#regolare#e#si#sviluppa#nello#spazio#secondo#uno#schema#detto#reticolo#cristallino.#A#livello#microscopico#il#

reticolo# è# diviso# in# tante# celle# elementari# che# ripetendosi# in# modo# regolare# generano# il# solido# cristallino# (abito#

cristallino).# Dunque# il# cristallo# si# accresce# riproducendo# in# scala# di# ingrandimento# la# cella# iniziale.# In# natura# sono#

possibili# solo# 14# tipi# di# celle# elementari;# le# strutture# di# base# sono# dette# reticoli# di# Bravais.# Dal# punto# di# vista#

macroscopico# i# solidi# cristallini# presentano# superfici# piane# e# regolari# dette# facce,# ed# inoltre# presentano# proprietà#

anisotrope.#Infine#i#solidi#cristallini#presentano#temperature#fisse#di#fusione#e#il#solido#fuso#può#cambiare#nettamente#

le#proprie#proprietà#fisiche.#In#realtà#la#maggior#parte#dei#materiali#cristallini#(metallici#e#ceramici)#è#formata#da#un#

insieme#di#grani#disposti#in#modo#diverso#nello#spazio#rispetto#a#quelli#adiacenti;#Per#questa#loro#caratteristica#sono#

chiamati#solidi#policristallini:#la#distribuzione#disordinata#dei#grani#può#addirittura#conferire#al#solido,#nel#complesso#

proprietà,#isotrope.#

L’allotropia#è#il#fenomeno#per#cui#lo#stesso#elemento#si#presenta#in#forme#allotropiche,#che#sono#diverse#per#il#modo#

in#cui#gli#atomi#si#legano#tra#loro#o#per#il#numero#di#atomi#che#formano#le#molecole.#Il#carbonio#è#il#tipico#esempio.#Il#

polimorfismo#è#il#fenomeno#per#cui#un#elemento#o#un#composto#genera#strutture#che#si#possono#ricondurre#a#diversi#

sistemi# cristallini,# senza# variazione# di# composizione# chimica.# L’isomorfismo# è# il# fenomeno# per# cui# elementi# o#

composti#con#composizione#chimica#simile#producono#strutture#appartenenti#allo#stesso#sistema#cristallino.#I#solidi#

cristallini#sono#classificati#in#base#al#tipo#di#legame#che#lega#le#particelle#e#si#dividono#in:#

1. Covalenti#–#Sono#duri,#hanno#elevata#temperatura#di#fusione,#sono#ottimi#isolanti#termici#ed#elettrici,#sono#

insolubili,#tra#questi#ad#esempio#il#Diamante#

2. Ionici# –# Sono# cattivi# conduttori# elettrici# e# termici,# trovano# applicazione# come# isolanti# o# semi# conduttori.#

Grazie# alla# stabilità# dei# legami,# questi# solidi# presentano# punti# di# fusione# elevati# e# scarsa# reattività# chimica.#

Tipico#esempio#sono#i#materiali#ceramici#che#tuttavia#sono#anche#fragili.#

3. Metallici# –# Hanno# elevata# densità,# sono# duttili,# malleabili,# lucenti,# ottimi# conduttori# termici# ed# elettrici.# La#

conducibilità#è#conseguenza#della#grande#libertà#di#movimento#degli#elettroni#di#valenza#che#formano#il#mare#

elettronico.#Tra#i#biomateriali#si#preferiscono#le#leghe,#ovvero#soluzioni#di#più#metalli#(metallo#base#+#alliganti#

la#cui#presenza#migliora#alcune#caratteristiche#del#metallo#base)#

4. Molecolari#–#Hanno#temperature#di#fusione#basse,#non#conducono#calore#ed#elettricità.#Tipici#esempi#sono#il#

ghiaccio#e#lo#iodio#(! )#

!

Microscopio*

Il#microscopio#ottico#è#schematicamente#costituito#da#un#obiettivo#e#un#oculare:#il#primo#è#posto#vicino#all’oggetto#e#

ne# fornisce# un’immagine# reale;# il# secondo# fornisce# un’immagine# virtuale# visibile# dall’osservatore,# oppure#

un’immagine#reale#fotografabile.#Fanno#parte#dello#strumento#anche#un#condensatore#per#illuminare#il#preparato,#la#

parte# meccanica# di# sostegno# e# i# dispositivi# di# regolazione.# Le# caratteristiche# di# ogni# microscopio# sono:#

l’ingrandimento,# il# potere# risolutivo,# l’apertura# numerica,# la# profondità# di# fuoco,# la# luminosità.# Mentre# la# comune#

lente# d’ingrandimento# rappresenta# un# microscopio# semplice,# quelli# descritti# finora# sono# detti# compositi.# Nei#

microscopi#elettronici#a#scansione#il#fascio#elettronico#emesso#dalla#sorgente#è#comandato#in#modo#da#eseguire#una#

scansione#di#tipo#televisivo#ed#esplorare#la#superficie#del#preparato.#Gli#elettroni#trasmessi#o#emessi#sono#raccolti#da#

un#collettore#e#danno#origine#al#segnale#di#comando#del#cinescopio#sul#cui#schermo#si#forma#l’immagine#ingrandita#

con#risoluzione#e#ingrandimenti#intermedi#tra#un#microscopio#ottico#e#un#microscopio#elettronico#a#trasmissione.#Il#

SEM#ha#tuttavia#una#più#grande#profondità#di#campo.#

I"tessuti"biologici"

I" tessuti" biologici" non" appartengono" alla" classe" dei" materiali" ingegneristici" tradizionali." L’impiego" dei" materiali" di"

origine" biologica" come" il" legno" non" solo" è" limitato," ma" avviene" dopo" che" le" tracce" vitali" del" materiale" siano" state"

eliminate." I" materiali" biologici" comprendono" sia" i" materiali" di" cui" sono" costituiti" i" tessuti" e" gli" organi" che" devono"

essere"sostituiti"con"dispositivi"artificiali,"sia"i"materiali"con"cui"i"dispositivi"sono"interfacciati."In"ambito"biomedico"i"

materiali" biologici" di" maggior" interesse" sono" i" tessuti" connettivi" come" l’osso" e" il" sangue." I" quattro" diversi" tipi" di"

tessuto" biologico" (epiteliale," connettivo," muscolare," nervoso)" si" differenziano" dai" materiali" polimerici," ceramici" e"

metallici"perché"sono"viventi,"ovvero,"sono"costituiti"in"parte"da"cellule"che"consentono"la"continua"ricostruzione"dei"

tessuti."I"tessuti"sono"assimilabili"alla"classe"dei"materiali"compositi"e"sono"in"genere"bagnati"da"fluidi"biologici"che"

consentono" la" vita" delle" cellule" garantendone" l’omeostasi." Per" comprendere" le" proprietà" dei" tessuti" biologici" è"

necessario"rivolgersi"alla"chimica"organica,"quella"parte"della"chimica"che"studia"i"composti"del"carbonio."Infatti"tutte"

le"sostanze"viventi"contengono"carbonio,"ossigeno,"idrogeno"e"azoto"nonostante"i"costituenti"principali"della"crosta"

terrestre" siano" alluminio," silicio" e" ossigeno." Il" motivo" per" il" quale" il" carbonio" costituisce" l’ossatura" dei" composti"

organici," risiede" nel" fatto" che" possiede" quattro" elettroni" nel" guscio" esterno." Ciascuno" di" esso" può" formare" legami"

covalenti"con"altri"elementi"o"anche"con"altri"atomi"di"carbonio"generando"delle"catene."Ad"eccezione"del"silicio,"che"

però"tende"ad"ossidarsi,"nessuno"degli"altri"elementi"è"in"grado"di"formare"catene."I"polimeri"naturali"sono"formati"da"

catene" di" carbonio," ciò" non" è" dipeso" dalla" quantità" di" carbonio" disponibile," ma" dalle" proprietà" uniche" di" questo"

elemento."Già"dagli"anni"50"Stanley"Miller"dimostrò"con"una"serie"di"esperimenti"in"cui"simulava"l’ipotetica"atmosfera"

primordiale" ricca" di" ammoniaca," metano," acqua" e" idrogeno" che," facendo" percorrere" tale" atmosfera" da" scariche"

elettriche," si" ottenevano" non" solo" molecole" organiche" semplici" ma" anche" alcuni" amminoacidi." Questi" esperimenti"

provarono" dunque" l’esistenza" di" un" possibile" meccanismo" di" generazione" dei" precursori" della" vita." I" composti"

organici" si" possono" derivare," in" linea" di" principio," partendo" da" sostanze" costituite" da" carbonio" e" idrogeno:" gli"

idrocarburi." Questi" ultimi" si" dividono" in" tre" grandi" classi:" gli" alifatici" saturi," gli" alifatici" insaturi" e" gli" aromatici." Gli"

idrocarburi" alifatici" saturi," detti" alcani" o" paraffine," sono" caratterizzati" da" catene" con" presenza" di" legami" covalenti"

semplici" e" sono" in" genere" poco" reattivi." Agli" idrocarburi" alifatici" insaturi" appartengono" gli" alcheni" che" contengono"

anche" doppi" legami" covalenti," e" gli" alchini" che" contengono" anche" tripli" legami" covalenti." Gli" alifatici" insaturi" sono"

molto" reattivi." Gli" idrocarburi" aromatici" sono" composti" insaturi" poco" reattivi" e" caratterizzati" da" anelli" di" carbonio"

legati" da" legami" covalenti" doppi" e" singoli" in" continua" risonanza," cioè" i" doppi" legami" sono" in" continuo" movimento"

lungo" l’anello" rendendo" statisticamente" equivalenti" le" strutture" alternative." Esistono" altre" molecole" organiche" che"

contengono," oltre" a" carbonio" e" idrogeno," un" atomo" o" un" gruppo" di" atomi" di" altra" natura" che" ne" caratterizzano" le"

proprietà." Questo" atomo," o" gruppo" di" atomi," è" detto" gruppo" funzionale." I" gruppi" funzionali" contenenti" legami"

semplici"più"importanti"generano:"alcol"(OOH),"etere"(OOO),"ammina"(ONH2),"alogenuro"(OClOFOBrOI)."I"gruppi"funzionali"

contenenti"un"doppio"legame"tra"carbonio"e"ossigeno"sono:"aldeide"(OC(=O)OH)","chetone"(OC(=O)O),"acido"carbossilico"

(OC(=O)OOH)," estere" (OC(=O)OOO)," ammide" (OC(=O)ONH2)," alogenuro" acilico" (OC(=O)OClOFOBrOI)." Nel" caso" in" cui" alcune"

vitali"molecole"siano"legate"chimicamente"a"formare"una"lunga"catena,"quest’ultima"è"detta"polimero,"ciascuna"delle"

molecole"di"partenza,"invece,"monomero.""

La" biochimica" studia" i" fenomeni" chimici" che" avvengono" nei" sistemi" viventi:" è" chiaro" dunque" che" essa" studia"

principalmente"i"composti"organici"e"le"reazioni"che"li"coinvolgono."Così"come"l’organismo"è"stato"suddiviso"nei"suoi"

elementi:"organi,"tessuti"e"cellule,"anche"quest’ultime"possono"essere"scomposte"nelle"sostanze"che"le"costituiscono"

secondo"un"criterio"gerarchico."I"gruppi"di"composti"chimici"fondamentali"per"i"viventi"sono:"i"carboidrati,"i"lipidi,"gli"

amminoacidi," le" proteine" e" gli" acidi" nucleici." Per" quanto" riguarda" i" carboidrati" l’unita" fondamentale" sono" i"

monosaccaridi,"che"differiscono"tra"loro"per"il"numero"di"atomi"di"carbonio"(triosi,"tetrosi,"pentosi,"esosi,"eptosi)"e"

differiscono"anche"per"la"conformazione."A"parità"di"formula"bruta"esistono"sostanze"diverse"dette"stereoisomeri"che"

mostrano"proprietà"diverse."I"monosaccaridi"sono"solubili"in"acqua"e"possono"reagire"fra"loro"per"formare"disaccaridi,"

trisaccaridi"fino"a"giungere"ai"polisaccaridi."I"lipidi"o"grassi"sono"insolubili"in"acqua,"ma"solubili"in"solventi"non"polari."

Sono"molecole"con"una"struttura"in"gran"parte"di"natura"idrocarburica:"infatti"i"componenti"principali"sono"gli"acidi"

grassi." Nel" corpo" umano" i" lipidi" servono" da" materiale" di" riserva" per" la" produzione" di" energia" metabolica," sono"

componenti"strutturali"delle"membrane"cellulari"ed"alcuni"svolgono"importanti"attività"biologiche"come"gli"steroidi."

Gli"amminoacidi"biologici"sono"20,"di"cui"8"non"essendo"sintetizzabili"dagli"organismi"animali"devono"essere"assimilati"

con"il"cibo."Gli"amminoacidi"sono"in"grado"di"legarsi"tra"loro"tramite"un"legame"peptidico"per"formare"un"dipeptide,"

ecc…" Nel" caso" di" una" catena" molto" lunga" il" polimero" è" detto" polipeptide" o" proteina." Queste" ultime" svolgono"

moltissime" funzioni" biologiche:" enzimi" in" grado" di" catalizzare" reazioni" chimiche," proteine" di" deposito," proteine" di"

trasporto,"proteine"contrattili,"proteine"protettive"del"sangue,"proteine"strutturali,"tossine,"ormoni"proteici."Gli"acidi"

nucleici" infine" sono" costituiti" da" un" elevato" numero" di" nucleotidi." I" nucleotidi" sono" molecole" contenenti" una" base"

azotata,"un"saccaride"pentoso"e"una"molecola"di"acido"fosforico."Si"distinguono"in"desossiribonucleotidi,"che"sono"i"

monomeri"del"DNA,"e"ribonucleotidi"che"sono"i"monomeri"del"RNA."Il"meccanismo"di"trasferimento"dell’informazione"

genetica"cellulare"dipende"da"queste"sostanze:"il"DNA"è"costituito"da"due"catene"polimeriche"avvolte"una"sull’altra"a"

formare"una"doppia"elica."

Le"ossa"e"i"denti"sono"tessuti"mineralizzati"che"hanno"come"funzione"principale"quella"di"trasmettere"e"sopportare"

forze." I" denti" sono" direttamente" a" contatto" con" sostanze" extracorporee," mentre" le" ossa" svolgono" la" loro" funzione"

completamente"all’interno"dell’organismo."Le"ossa"si"distinguono"in"ossa"lunghe,"ossa"piatte"(lunghezza"e"larghezza"

prevalgono"sullo"spessore)"ed"ossa"brevi"come"le"vertebre."Nelle"ossa"lunghe"vi"è"una"parte"centrale"lunga"e"cilindrica"

(diafisi)" percorsa" da" un" ampio" canale" e" formata" da" tessuto" osseo" compatto," e" due" estremità" più" larghe" (epifisi)"

costituite" da" tessuto" osseo" spugnoso." Tutte" le" ossa" sono" costituite" da" un" tessuto" connettivo" specializzato" in" cui" si"

distinguono" delle" cellule" (osteociti)" ed" una" sostanza" intercellulare" resa" dura" dalla" presenza" di" minerali"

(principalmente" cristalli" di" apatite)." Il" tessuto" osseo" compatto" forma" le" diafisi" delle" ossa" lunghe," e" i" due" tavolati"

esterni"delle"ossa"piatte."Quello"spugnoso"o"trabecolare"forma"le"ossa"brevi,"le"epifisi"delle"ossa"lunghe"ed"uno"strato"

interposto"tra"i"due"tavolati"delle"ossa"piatte."Le"trabecole"sono"prevalentemente"orientate"secondo"le"direzioni"di"

trasmissione" delle" sollecitazioni." Fra" le" trabecole," e" nella" cavità" della" diafisi," è" contenuto" il" midollo" osseo" che" ha"

come"funzione"quella"di"produrre"gli"elementi"corpuscolari"del"sangue."La"superfice"esterna"ed"interna"delle"ossa"è"

ricoperta" dal" periostio" e" dall’endostio" che" sono" connettivi" non" mineralizzati;" Le" superfici" delle" ossa" rivolte" verso"

cavità"articolari"sono"ricoperte"da"uno"strato"di"cartilagine."I"denti"si"dividono"in"due"tipi:"quelli"decidui"o"da"latte"(20"

e"si"cambiano),"e"quelli"permanenti"o"secondari"(32)"divisi"in"incisivi,"canini,"premolari"e"molari."La"struttura"del"dente"

comprende"lo"smalto"(tessuto"epiteliale"calcificato,"biancastro"e"molto"duro),"dentina"(tessuto"connettivo"calcificato"

di"colore"giallastro)"e"la"polpa,"hanno"una"parte"visibile"che"sporge"nella"cavità"orale"(corona"dentaria)"e"una"parte"

ricoperta"dalla"gengiva"(colletto"dentario),"una"parte"che"si"impianta"in"apposite"cavità"dette"alveoli"dentari."Dentro"

ciascun"dente"vi"è"la"cavità"della"polpa,"cioè"il"tessuto"nervoso"del"dente.""

Come" gran" parte" dei" tessuti" biologici" anche" le" ossa" e" i" denti" presentano" proprietà" meccaniche" che" dipendono"

dall’umidità," dal" verso" del" carico," dalla" velocità" di" applicazione" del" carico" e" della" sua" direzione" rispetto"

all’orientamento" della" microstruttura" del" tessuto." Si" nota" che" il" campione" secco" mostra" un" leggero" aumento" del"

modulo" di" elasticità," ma" minore" resistenza" a" rottura" e" minore" allungamento." L’effetto" della" riduzione" del" carico" è"

importante" in" quanto" la" struttura" dell’osso" è" anisotropa." Essendo" l’osso" un" tessuto" viscoelastico," le" sue" proprietà"

dipendono"anche"dalla"velocità"di"deformazione."Un"altro"parametro"che"influenza"le"proprietà"meccaniche"dell’osso"

è" il" contenuto" di" sostanza" minerale:" l’aumento" di" sostanza" minerale" fa" crescere" la" densità," e" diminuire" il" lavoro"

necessario" per" rompere" l’osso" e" la" sua" resistenza" a" flessione," aumentando" il" modulo" di" Young." Il" rimodellamento"

osseo" è" un" fenomeno" per" il" quale" l’osso" può" ottimizzare" la" sua" forma" in" funzione" del" carico" da" sopportare." La"

fenomenologia" del" rimodellamento" osseo" è" descritta" dalla" legge" di" Wolff" che" comprende" 3" leggi" qualitative:" Il"

rimodellamento" osseo" è" governato" da" sollecitazioni" flessionali," e" non" da" sforzi" principali." È" stimolato" da" carichi"

dinamici" ciclici;" la" pressione" dinamica" produce" una" crescita" ossea" nella" zona" in" cui" la" flessione" causa" la" concavità."

Alcune" patologie" degenerative" dell’osso" possono" essere" imputabili" a" malfunzionamenti" del" rimodellamento" osseo"

che"provocano"un"anomala"riduzione"del"tessuto."Il"processo"che"permette"alle"cellule"di"sentire"le"deformazioni"non"

è" ancora" noto." È" stato" ipotizzato" che," a" causa" delle" proprietà" piezoelettriche," l’osso" generi" un" campo" elettrico"

quando" è" sottoposto" al" carico" e," che" tale" campo" elettrico," stimoli" il" rimodellamento." Studi" sulle" proprietà"

piezoelettriche" dell’osso" hanno" condotto" ad" alcuni" dubbi" sulla" piezoelettricità" dell’osso" umido" nel" campo" delle"

frequenza"fisiologiche"di"sollecitazione."

I"tessuti"molli"sono"costituiti"in"gran"parte"di"collagene"ed"elastina."Il"collagene"è"una"proteina"strutturale"della"quale"

ne"esistono"diversi"tipi"che"nei"tessuti"dei"mammiferi"formano"fibre"che"si"trovano"nella"pelle,"nei"tendini,"nelle"ossa,"

nelle" cartilagini" e" nei" tessuti" cardiovascolari." Le" fibre" limitano" le" deformazioni" dei" tessuti" e" prevengono" le" rotture"

meccaniche." La" particolare" struttura" delle" fibre" di" collagene" è" responsabile" del" suo" comportamento" meccanico."

Infatti"la"disposizione"elicoidale"delle"catene"proteiche"ed"i"legami"intramolecolari"permettono"alle"fibre"di"avere"una"

modesta"capacità"di"sopportare"i"carichi"nella"prima"parte"di"allungamento"a"trazione."Le"fibre"ruotano"e"si"flettono"

modificando"la"loro"geometria"spaziale"da"elicoidale"a"lineare;"Quando"le"catene"proteiche"sono"distese"le"proprietà"

meccaniche"aumentano"diventando"dipendenti"da"legami"intra"e"intermolecolari."Nei"tessuti"biologici"il"collagene"è"

la" fibra" con" specifiche" capacità" di" resistenza" a" trazione" avendo" un" elevato" rapporto" tra" lunghezza" e" diametro," è"

invece" incapace" di" sopportare" sollecitazioni" di" compressione." L’elastina" è" un'altra" proteina" strutturale" che" si" trova"

nei" tessuti" elastici" come" alcuni" legamenti," le" pareti" arteriose," la" pelle," eccetera." Grazie" ai" legami" fra" le" catene"

proteiche," ha" un" altissima" elasticità" ed" in" genere" proprietà" meccaniche" inferiori" del" collagene." Altri" costituenti" dei"

tessuti" molli" sono" i" polisaccaridi," che" si" comportano" come" materiali" altamente" viscosi" che" interagiscono" con" le"

proteine" formando" glicosamminoglicani" o" proteoglicani."Fra" questo" uno" dei" più" importanti" è" l’acido" ialuronico"che"

negli"animali"contiene"un"componente"proteico"e"si"trova"nell’umore"vitreo"dell’occhio,"nei"fluidi"sinoviali"lubrificanti,"

nella" pelle," nel" cordone" ombelicale" e" nella" parete" aortica." Come" altri" materiali" viscoelastici," anche" i" tessuti" molli"

hanno" un" comportamento" meccanico" che" può" essere" rappresentato" con" i" modelli" multielemento" di" Voight" o" di"

Maxwell."I"tessuti"ricchi"di"collagene"comprendono"la"pelle,"i"tendini,"le"cartilagini,"i"tessuti"vascolari,"eccetera."Anche"

funzioni"particolari"come"quella"di"dare"trasparenza"alle"lenti"degli"occhi,"di"dare"forma"alle"orecchie"o"alla"punta"del"

naso"sono"in"parte"demandate"a"tessuti"ricchi"di"collagene"che"possono"essere"considerati"materiali"compositi."Ad"

esempio"la"curva"sigmaOepsilon"di"un"tendine"a"trazione"è"di"tipo"non"lineare."La"prima"parte"della"curva"rappresenta"

l’allineamento"delle"fibre"di"collagene"nella"direzione"di"applicazione"del"carico."Vi"è"poi"una"zona"abbastanza"lineare"

in"cui"la"maggior"parte"delle"fibre"sono"deformate"lungo"il"loro"asse;"L’ultima"parte"della"curva,"caratterizzata"da"una"

riduzione"della"pendenza,"rappresenta"la"rottura"di"singole"fibre"fino"alla"completa"rottura"del"tendine."I"tendini"sono"

l’estremità" con" le" quali" i" muscoli" si" legano" ai" segmenti" ossei," oppure" al" derma," trasmettendo" le" forze" e" gli"

accorciamenti"della"contrazione"muscolare."I"legamenti"invece"sono"strutture"che"determinano"l’unione"di"due"o"più"

segmenti"ossei"o"cartilaginei."La"pelle"è"una"membrana"continua"che"riveste"tutto"il"corpo"con"funzioni"protettive,"di"

scambio" termico" e" di" percezione" tattile." Il" suo" comportamento" meccanico" è" anisotropo." Una" caratteristica"

importante" della" pelle" è" la" sua" estensibilità" per" piccole" sollecitazioni" legate" al" fatto" che" inizialmente" le" fibre" di"

collagene" si" allineano" e" solo" per" sollecitazioni" maggiori" si" tendono." La" cartilagine" svolge" due" principali" funzioni:"

quella"di"mantenere"le"forme"(orecchio,"punta"del"naso);"quella"di"rivestimento"delle"superfici"articolari"per"ridurre"

l’attrito.""

I" tessuti" elastici" subiscono" grandi" deformazioni" se" subiscono" carichi" relativamente" piccoli." Comprendono" i" vasi"

sanguigni,"alcuni"legamenti,"muscoli,"eccetera."Il"principale"costituente"è"l’elastina,"detta"anche"proteina"gommosa."Il"

modulo" di" elasticità" è" molto" basso" rispetto" a" quello" del" collagene," alla" fine" del" ciclo" tutta" le" deformazione" viene"

recuperata"e"tutta"l’energia"dissipata"per"viscosità"interna"è"minima."Questo"comportamento"è"fondamentale"in"tutti"

i"tessuti"ai"quali"è"richiesta"un’ampia"deformazione"con"ripristino"delle"dimensioni"originali,"soprattutto"se"sottoposti"

a" sollecitazione" ciclica." In" particolare" le" arterie" sono" soggette" alle" variazioni" cicliche" della" pressione" sanguigna." La"

parete"arteriosa"è"costituita"da"3"strati"concentrici:"la"tunica"intima,"la"tunica"media"e"la"tunica"avventizia."L’intima"è"

costituita"da"un"singolo"strato"di"cellule"endoteliali"e"da"un"sottile"strato"contenente"fibre"di"collagene."Fra"l’intima"e"

la"media"è"interposta"una"lamina"elastica"costituita"da"fibre"di"elastina."La"media"costituisce"lo"strato"più"spesso"e"

può" avere" strutture" differenti:" in" particolare" le" grandi" arterie" sono" conosciute" come" arterie" elastiche" per" l’alto"

contenuto"di"elastina."Nelle"arterie"più"piccole,"la"tunica"media,"è"costituita"soprattutto"da"cellule"muscolari"lisce"e"da"

una"piccola"parte"di"tessuto"connettivo,"collagene"ed"elastina."L’avventizia"è"composta"da"fasci"di"fibre"di"collagene"

ed" elastina" in" direzione" longitudinale." Un" altro" tipico" tessuto" elastico" è" quello" muscolare" con" specifiche" capacità"

contrattili." Tali" capacità" sono" dovute" alla" presenza" di" due" filamenti" proteici:" la" miosina" e" l’actina." Durante"

l’attivazione"muscolare"si"formano"dei"legami"fra"due"filamenti"che"generano"una"forza"che"tende"a"far"scivolare"un"

filamento"sull’altro"accorciando"il"muscolo."L’unità"elementare"contrattile"è"detta"sarcomero."

Uno" dei" primi" processi" di" trattamento" chimico" del" collagene" è" stato" la" concia" delle" pelli." Più" recentemente" si" è"

sviluppato" un" crescente" interesse" nell’uso" del" collagene" per" la" fabbricazione" di" dispositivi" medicali." L’approccio" è"

quello"di"trattare"chimicamente"tessuti"ricchi"di"collagene"per"trasformarli"in"protesi"o"strutture"impiantabili,"esempi"

di"tali"applicazioni"sono:"le"valvole"cardiache"aortiche"porcine,"i"vasi"sanguigni"di"origine"animale,"il"pericardio"bovino"

utilizzato"per"fabbricare"protesi"valvolari"o"pezzi"di"tessuto"da"impianto."Per"l’uso"di"tali"tessuti"di"origine"animale,"è"

necessaria"la"devitalizzazione"e"una"garanzia"sulla"stabilità"chimico"fisica"nel"tempo."Infatti"l’organismo"riconosce"il"

tessuto" impiantato" come" biologico," questo" può" portare" ad" una" reazione" immunitaria" che" tende" a" distruggere"

l’impianto." È" necessario" l’uso" di" sostanze" chimiche" che" distruggano" sia" le" cellule" sia" i" componenti" immunogeni" dei"

tessuti" prima" di" impiantarli." La" sostanza" che" risulta" più" adatta" per" il" trattamento" chimico" dei" tessuti" ricchi" di"

collagene"è"la"gluteraldeide,"utilizzata"anche"durante"il"periodo"di"conservazione"del"tessuto"fino"all’impianto."Uno"

dei" principali" problemi" è" quello" della" calcificazione" che" nel" tempo" irrigidisce" inevitabilmente" il" tessuto" riducendo"

l’efficacia"della"protesi."

Applicazioni*dei*biomateriali,*reazioni*dell’organismo*all’impianto*di*materiali*esterni*

La# prima# definizione# dell’applicazione# dei# biomateriali# prevede# la# totale# impiantabilità# all’interno# dell’organismo.#

Questi#biomateriali#possono#essere#esterni#ma#in#contatto#diretto#con#tessuti#viventi,#parzialmente#o#completamente#

impiantati.# La# definizione# di# biomateriali# è# dunque# fondamentale.# Nel# 1982# fu# proposta# una# definizione# troppo#

generica# in# quanto# comprendeva# anche# tessuti# e# organi# trapiantati# e# materiali# impiegati# per# la# realizzazione# di#

dispositivi#totalmente#extracorporei#anche#non#medici.#Qualche#anno#più#tardi#venne#proposta#una#definizione#più#

corretta:#una#sostanza#non#vivente#utilizzata#nella#fabbricazione#di#un#dispositivo#medico#che#ha#in#qualche#punto#un#

interfaccia# con# un# tessuto# vivente.# Sono# esclusi# quindi# i# materiali# viventi,# ma# inclusi# i# tessuti# di# origine# biologica#

trattati#e#non#più#viventi;#inoltre#non#si#fa#riferimento#alla#durata#del#contatto#tra#il#biomateriale#e#il#tessuto#vivente#

dell’ospite.#Alcune#definizioni#importanti#sono:##

I Biocompatibilità:#la#capacità#di#un#materiale#di#determinare#una#reazione#favorevole#da#parte#di#un#sistema#

vivente#alla#sua#presenza#in#una#specifica#applicazione;#

I Trombogenicità:#la#proprietà#che#induce#o#favorisce#la#formazione#di#trombi;#

I Biodegradazione:#la#progressiva#disgregazione#di#un#materiale#mediata#da#attività#biologiche##

I Bioassorbimento:#il#processo#di#dissoluzione#o#di#rimozione#dovuto#da#attività#cellulare#di#un#biomateriale#

I Dispositivo#medico:#Ciascuna#parte#e#ciascun#accessorio,#macchina,#apparato,#reagente#in#vitro#o#altri#oggetti#

simili#per#il#quale#è#previsto#l’uso#in#medicina;#

I Organo#Artificiale:#Dispositivo#medico#che#sostituisce#in#parte#o#completamente#le#funzioni#di#un#organo;#

I Protesi:#Dispositivo#che#sostituisce#un#arto,#un#organo#o#un#tessuto#del#corpo#umano;##

I Bioprotesi:#Protesi#impiantabile#costituita#sostanzialmente#da#un#tessuto#biologico#trattato#e#non#vivente;#

I Dispositivo#percutaneo:#dispositivo#medico#che#passa#attraverso#la#cute#rimanendo#in#tale#posizione#per#un#

periodo#significativo;#

I Impianto:#dispositivo#medico#fabbricato#con#uno#o#più#biomateriali#totalmente#o#parzialmente#inglobato#al#di#

sotto#di#una#superfice#cutanea#o#mucosa;#

I Graft:#pezzo#di#tessuto#vivente,#o#insieme#di#cellule#viventi,#trasferito#da#una#zona#di#un#donatore#ad#una#di#

un#ricevente#con#lo#scopo#di#ricostruire#quest’ultima;#

I Trapianto:#una#struttura#completa#trasferita#da#una#zona#di#un#donatore#a#quella#del#ricevente#con#lo#scopo#

di#ricostruire#quest’ultima;#

Le#applicazioni#dei#biomateriali#nella#fabbricazione#di#protesi,#organi#artificiali#e#dispositivi#medici#sono#molto#vaste:#

I Alcune#di#queste#sono#usate#completamente#all’interno#dell’organismo#(protesi#oculari,#protesi#vascolari)#

I Altre#sono#completamente#esterne#anche#se#in#contatto#diretto#con#i#tessuti#viventi#(lenti#a#contatto,#

dializzatori,#ecc..)#

I Altre#sono#parzialmente#impiantate#(protesi#dentali,#suture,#cateteri)#

Inoltre# alcune# applicazioni# sono# permanenti,# altre# sono# temporanee,# altre# ancora# sono# periodiche.# Una# prima#

classificazione# delle# applicazioni# dei# biomateriali# riguarda# le# aree# di# applicazione;# Tuttavia# più# comoda# è# quella#

relativa#alle#classi#di#materiali:#Metalli,#Polimeri,#Ceramici,#Compositi#e#Materiali#biologici.#È#importante#sottolineare#

che# risulta# fondamentale# conoscere# la# struttura# dei# materiali# in# quanto# essa# determina# le# proprietà,# anche# quelle#

tecnologiche.# Occorre# considerare# che,# differentemente# dai# casi# normalmente# incontrati# nella# progettazione#

ingegneristica,#nel#progettare#un#organo#artificiale#o#in#generale#un#dispositivo#medico#si#ha#come#obiettivo#quello#di#

replicare# le# funzioni# fisiologiche# di# un# organo# o# di# un# tessuto# di# origine# naturale:# ciò# chiaramente# riduce# i# gradi# di#

libertà#del#progetto,#ed#impone#vincoli#ristretti#in#quanto#le#specifiche#funzionali#sono#fissate#rigidamente.#Secondo#

l’aspetto# fisico# della# protesi# (meccanico# e# dinamico),# i# gradi# di# libertà# sono# i# parametri# cinematici# necessari# a#

caratterizzare# il# moto,# o# l’atto# di# moto,# di# un# sistema.# Un# corpo# rigido# nello# spazio# tridimensionale# ha# 6# gradi# di#

libertà#(3#alla#traslazione#e#3#alla#rotazione).#Nel#problema#piano#il#corpo#ha#3#gradi#di#libertà#(2#alla#traslazione#e#1#

alla#rotazione).#In#un#sistema#di#N#corpi#rigidi,#il#grado#di#libertà#è#la#somma#dei#gradi#di#libertà#delle#sue#parti#ed#è#

uguale#al#numero#di#equazioni#scalari#necessarie#a#imporre#l’equilibrio#(vi#è#equilibrio#quando#la#risultante#delle#forze#

applicate# e# dei# momenti# è# nulla).# Un# vincolo# è,# invece,# ogni# impedimento# alla# libera# mobilità# dei# corpi.# Inoltre#

ingombri,# forma,# massa# e# le# altre# proprietà# fisiche# sono# vincolate.# Spesso# i# vincoli# non# sono# completamente#

conosciuti.# La# conoscenza# anatomica# e# fisiologica# di# un# organo# è# spesso# qualitativa# piuttosto# che# quantitativa,# e#

l’organo,#anche#se#di#poco,#varia#da#soggetto#a#soggetto.#È#quindi#la#conoscenza#dell’organo#naturale#la#base#della#

progettazione.#È#utile#tener#presente#una#rappresentazione#schematica#della#struttura#gerarchica#di#un#organismo;#

per# tale# motivo# definiamo# la# cellula,# il# tessuto,# l’organo,# l’apparato,# l’organismo:# la# cellula# è# l’unita# fisiologica# e#

morfologica# fondamentale# degli# organismi# viventi,# sia# animali# che# vegetali,# di# cui# possiedono# tutte# le# proprietà.#

Esistono# due# tipi# principali# di# cellule:# le# cellule# eucariotiche# e# le# cellule# procariotiche,# questi# due# tipi# presentano#

notevoli#differenze:#le#cellule#eucariotiche#possiedono#un#involucro#nucleare#che#separa#il#DNA#dal#resto#della#cellula,#

mentre#quelle#procariotiche#hanno#il#DNA#libero#nel#citoplasma#in#una#regione#detta#Nucleoide;#La#molecola#di#DNA#

procariotico# è# solitamente# di# forma# circolare,# mentre,# le# cellule# eucariotiche# presentano# più# molecole# di# DNA#

organizzate# in# cromosomi;# La# cellula# eucariotica# è# anche# più# grande# di# quella# procariotica;# La# cellula# procariotica#

oltre#alla#membrana#cellulare#presenta#anche#una#parete#cellulare#esterna#che#conferisce#forma#e#rigidità;#La#cellula#

eucariotica# presenta# organelli# intracellulari# rivestiti# da# membrana,# assenti# in# quella# procariotica;# Le# cellule#

eucariotiche# si# dividono# per# mitosi,# le# altre# per# scissione# binaria.# I# più# antichi# organismi# viventi# erano# procarioti#

unicellulari#autotrofi;#Una#forma#intermedia#tra#gli#organismi#unicellulari#e#pluricellulari#è#rappresentata#da#singole#

cellule,#comunque#autonome,#riunite#in#colonie.#Negli#organismi#pluricellulari#tutte#le#cellule#che#svolgono#la#stessa#

funzione#sono#riunite#a#formare#un#tessuto.#I#quattro#tipi#principali#di#tessuto#sono:#l’epiteliale#costituito#da#cellule#di#

forma# regolare# poste# a# mutuo# contato# con# interposta# scarsissima# sostanza# intercellulare,# connettivo# dato# da# una#

sostanza# fondamentale# nella# quale# sono# immerse# cellule# di# vario# tipo,# muscolare# costituito# da# cellule# di# forma#

allungata# e# contrattili,# quello# nervoso# costituito# da# neuroni# e# cellule# di# supporto# (cellule# gliali# di# supporto).# Un#

organo# invece# è# una# struttura# differenziata# costituita# da# cellule# e# tessuti# deputata# a# una# o# più# funzioni# specifiche#

nell’ambito# di# un# organismo,# insiemi# di# più# organi,# le# cui# funzioni# si# sommano,# dando# luogo# ad# una# funzione# più#

generale,#formando#un#apparato.#Infine#un#organismo#è#un#essere#vivente#e#in#quanto#tale#dotato#di#strutture#ben#

distinte#e#con#propri#caratteri#morfologici#e#funzionali.#Facendo#un#paragone#tra#un#organo#naturale#ed#uno#artificiale#

si# può# creare# una# parallelo# tra# cellule# e# biomateriali,# e# tra# tessuti# e# componenti# dell’organo# artificiale.# Le# cellule,#

come# i# materiali,# sono# caratterizzate# da# proprietà# chimicoIfisiche# e# dalle# relazioni# che# legano# tali# proprietà# a#

condizioni# esterne,# come# la# temperatura.# La# specializzazione# dei# tessuti# e# dei# componenti# assume# una# peculiare#

specificità# quando# questi# partecipano# al# funzionamento# dell’organo# che# costituiscono:# ad# esempio# nel# cuore# si#

osserva# che# i# vasi# coronarici# hanno# la# funzione# di# trasportare# e# accumulare# l’energia# chimica# associata# al# flusso# di#

sangue#che#li#percorre;#Le#fibre#muscolari#convertono#energia#chimica#in#energia#meccanica,#ecc..##

Anche#nel#cuore#artificiale#sono#evidenziabili#componenti#elementari#con#funzioni#specifiche#come#l’accumulatore#di#

energia#primario,#il#convertitore,#l’attuatore,#eccetera.#È#chiaro#quindi#che#ogni#organo#ha#un#organizzazione#a#livello#

molto# elevato# che# determina# una# elaborazione# energetica# complessa# grazie# all’assemblaggio# di# tessuti# o# di#

componenti# che# si# distinguono# in# termini# di# specializzazione# funzionale# e# di# caratteristiche# morfologiche.# Occorre#

inoltre# ricordare# che# ogni# organo# è# in# grado# di# funzionare# solo# in# quanto# appartiene# ad# un# organismo# vivente# e#

quindi#grazie#alle#relazioni#che#lo#legano#agli#altri#organi#dello#stesso#organismo.#La#scomposizione#a#livelli#è#dunque#

utile#nella#fase#di#progettazione#di#un#organo#artificiale#in#quanto#consente#un#analisi#dettagliata#su#base#funzionale.#

La#progettazione#è#intesa#come#l’insieme#delle#operazioni#che#portano#fino#alla#produzione#di#un#organo#artificiale.#In#

generale# un# progetto# tipo# può# prevedere# fino# ad# 8# fasi:# finalità,# analisi# del# contesto,# obiettivi,# target,# strategia,#

azioni,# monitoraggio,# valutazione.# Queste# devono# essere# corredate# da# una# pianificazione# economica# e# temporale#

dettagliata.#La#fase#di#progettazione#dell’organo#artificiale#prevede,#sia#per#l’organo#stesso,#sia#per#i#suoi#componenti,#

la#realizzazione#dei#disegni#costruttivi,#la#definizione#delle#modalità#di#funzionamento#e#la#scelta#dei#materiali.#Questa#

fase#prevede#anche#operazioni#di#calcolo#strutturale,#fluidodinamico,#energetico,#cinematico#e#dinamico.#Dunque#le#

operazioni# sono# suddivise# in# fasi# (fase# di# identificazione# dell’organo# naturale,# fase# di# progettazione# dell’organo#

artificiale,#fase#di#verifica,#fase#di#realizzazione,#fase#di#utilizzazione)#e#in#diversi#livelli#di#specializzazione#funzionale#

(cellule/materiali,# tessuti/componenti,# organo# naturale/artificiale).# In# fase# di# verifica# le# prove# devono# essere#

effettuate#sui#materiali,#sui#componenti#e#sul#prototipo#dell’organo#artificiale#e#può#portare#in#caso#di#insuccesso#a#

retroazioni# su# operazioni# o# fasi# precedenti.# Gli# organi# artificiali,# specialmente# quelli# intracorporei,# sono# dispositivi#

tecnologici#per#i#quali#è#previsto#l’uso#in#stretto#contatto#con#il#corpo#umano:#quest’aspetto#genera#un#fenomeno#di#

interattività# tra# il# dispositivo# tecnologico# e# l’organismo# ospite.# La# previsione# di# tali# fenomeni# è# quindi# di# grande#

importanza# in# quanto# quest’ultimi# possono# modificare# sostanzialmente# la# funzione# sia# dell’organo# artificiale# sia#

dell’ospite.# Tali# fenomeni# prima# di# essere# apprezzabili# su# scala# globale# si# generano# su# scala# locale:# basti# pensare# il#

fenomeno#della#coagulazione#del#sangue#in#un#dispositivo#artificiale#che,#prima#di#raggiungere#proporzioni#critiche,#si#

deve# essere# generata# su# scala# microscopica.# Il# problema# maggiore# che# riguarda# le# applicazioni# dei# biomateriali# è#

quello# della# compatibilità# con# l’ambiente# biologico:# compatibilità# morfologica,# che# riguarda# le# interfacce#

dimensionali,#quelle#di#forma#e#quelle#relative#alla#massa;#compatibilità#funzionale,#che#riguarda#il#ruolo#svolto#dalla#

protesi# o# dall’organo# artificiale# rispetto# al# ruolo# atteso;# biocompatibilità,# per# la# quale# non# è# sufficiente# che# il#

materiale# con# cui# un# dispositivo# è# costruito# sia# biocompatibile.# La# compatibilità# è# quindi# un# insieme# di# proprietà#

legate#all’interazione#tra#dispositivo#e#organismo.#Tale#interazione#è# un#fenomeno#dinamico#in#quanto#l’organismo#

evolve#nel#tempo#in#modo#non#facilmente#prevedibile# neanche#dalla# fisiopatologia,#in#quanto#la#sostituzione#di#un#

organo#o#di#un#tessuto#con#un#dispositivo#artificiale#conduce#a#situazioni#nuove.#Le#previsioni#più#accurate#sono#di#

tipo# probabilistico.# La# compatibilità# conduce# quindi# al# problema# dell’affidabilità# necessaria# in# quanto# è# spesso#

impossibile#effettuare#la#manutenzione#o#la#sostituzione#di#componenti#malfunzionanti.#Tale#affidabilità#è#legata#a#3#

fattori:# il# tempo,# la# posizione# e# la# funzione.# È# chiaro# che# l’affidabilità# e# la# compatibilità# di# un# dispositivo# debbano#

essere# superiori# se# esso# deve# essere# impiantato# permanentemente# all’interno# di# un# organismo# e# sopperisca# a#

funzioni#vitali.#Sia#la#compatibilità#che#l’affidabilità#peggiorano#con#il#passare#del#tempo#in#particolare#indicando#con#

probabilità# percentuale# di# insuccesso# allora# l’affidabilità# sarà# uguale# Solitamente#

!(!)!la# !(!)# !(!) = 100 − !(!).#

va# considerato# separatamente# per# 5# cause# principali:# infezione,# mobilizzazione# (insorgenza# di# gioco#

!(!)#

all’interfaccia),#usura#dell’accoppiamento#articolare,#rottura#per#fatica,#errore#chirurgico.#Basta#che#una#sola#di#esse#

sia#elevata#per#rendere#l’impianto#poco#affidabile.#

Reazioni(dell’organismo(all’impianto(di(materiali(estranei(

L’organismo+ ha+ capacità+ autonome+ di+ difendersi+ da+ situazioni+ che+ ritiene+ possano+ danneggiarlo.+ Ciò+ rende+ difficile+

l’applicazione+di+dispositivi+medici+o+anche+di+moderne+terapie+chirurgiche+che+l’organismo+tende+a+rifiutare+poiché+

l’accettazione+da+parte+dell’organismo+avviene+sulla+base+di+un+riconoscimento+della+natura+dei+materiali+da+parte+dei+

tessuti+ piuttosto+ che+ sulla+ valutazione+ della+ funzione+ che+ tali+ materiali+ svolgono+ all’interno+ dell’organismo+ nel+ suo+

insieme.+Basti+pensare+al+trapianto+di+organo,+situazione+in+cui+l’organismo+ricevente,+tenta+di+distruggere+l’organo+o+

il+ tessuto+ trapiantato+ non+ riconosciuto+ come+ proprio+ attivando+ le+ difese+ immunitarie+ che,+ generalmente,+ operano+

con+ finalità+ protettive.+ Situazioni+ analoghe,+ ma+ con+ differenti+ meccanismi+ di+ difesa,+ si+ verificano+ negli+ impianti+ di+

protesi+ e+ di+ organi+ artificiali.+ Per+ esempio+ quando+ un+ tratto+ di+ arteria+ viene+ sostituito+ con+ una+ protesi+ vascolare,+ il+

sangue+tende+a+coagulare+sulla+superficie+interna+della+protesi+occludendola.+Ciò+è+estremamente+dannoso+e+avviene+

perché+il+sangue+coagula+a+contatto+con+superfici+estranee.++Per+comprendere+meglio+e+dunque+prevenire+le+reazioni+

dell’organismo+bisogna+definire+i+termini+legati+a+questi+fenomeni.+I+batteri+sono+organismi+unicellulari+di+dimensioni+

molto+piccole+caratterizzati+dall’assenza+di+un+nucleo+morfologicamente+definito.+Essi+possono+essere+privi+di+motilità+

o+ muoversi+ per+ mezzo+ di+ appendici+ dette+ flagelli.+ Numerosi+ sono+ i+ batteri+ parassiti+ che+ vivono+ normalmente+

all’interno+ di+ altri+ organismi+ (simbiosi);+ Ad+ esempio+ nell’intestino+ umano+ sono+ presenti+ batteri+ che+ si+ nutrono+ dei+

prodotti+ della+ digestione:+ sintetizzano+ sostanze+ utili+ all’organismo+ umano,+ ostacolano+ l’attecchimento+ di+ specie+

patogene.+La+malattia+insorge+quando+l’equilibrio+tra+batteri+ed+organismo+ospite+si+rompe,+ed+i+batteri+penetrano+nei+

tessuti.+ I+ virus+ sono+ organismi+ patogeni+ submicroscopici+ in+ grado+ di+ infettare+ animali+ e+ piante.+ Essi+ sono+ capaci+ di+

moltiplicarsi+ solo+ all’interno+ di+ cellule+ in+ quanto+ sono+ costituiti+ da+ un+ rivestimento+ proteico+ cristallino+ (capside)+

contenente+ una+ molecola+ di+ DNA+ o+ RNA.+ L’aggressione+ di+ una+ cellula+ da+ parte+ di+ un+ virus+ inizia+ con+ la+ fase+ di+

adsorbimento+in+cui+il+virus+riconosce+elementi+presenti+sulla+superficie+esterna+della+cellula+e+vi+si+attacca;+Vi+è+poi+la+

fase+di+penetrazione+in+cui+il+virus+entra+nella+cellula+e+libera+il+proprio+materiale+genetico;+Segue+la+fase+di+eclissi+in+

cui+non+è+possibile+identificare+la+presenza+di+particelle+virali+e+il+corredo+enzimatico+della+cellula+è+impegnato+nella+

trascrizione+e+traduzione+del+genoma+virale.+La+liberazione+dei+virus+può+avvenire+con+rottura+della+cellula+o+con+un+

processo+ di+ gemmazione+ in+ cui+ le+ particelle+ virali+ fuoriescono+ attraverso+ la+ membrana+ senza+ distruggerla,+ i+ nuovi+

virus+sono+pronti+a+propagare+l’infezione.+Alcuni+virus+invece+di+moltiplicarsi+integrano+il+proprio+patrimonio+genetico+

in+quello+della+cellula+ospite+trasformandola+in+una+cellula+tumorale.+

L’infiammazione+rappresenta+il+complesso+di+fenomeni,+reattivi+e+difensivi,+con+il+quale+l’organismo+risponde+a+stimoli+

patogeni.+L’infiammazione+acuta+è+caratterizzata+da+malessere+generale+e+febbre+mentre+a+livello+locale+si+hanno+5+

fenomeni+ caratteristici:+ tumefazione+ (aumento+ di+ volume+ dei+ tessuti),+ arrossamento,+ aumento+ di+ temperatura,+

presenza+di+dolore,+impedimento+parziale+o+totale+della+funzione+della+parte+interessata.+L’infiammazione+è+sempre+

accompagnata+da+ingrossamento+delle+linfoghiandole+regionali+e+provoca+processi+di+degenerazione+e+necrosi+delle+

cellule.+

La+cicatrizzazione+è+un+processo+biologico+di+riparazione+che+segue+alle+lesioni+di+organi+e+tessuti.+Comprende+tre+fasi:+

riavvicinamento+dei+margini+della+ferita+per+formazione+di+un+coagulo+sanguigno;+Intervento+di+cellule+connettive+e+di+

globuli+ bianchi+ che+ solidificano+ il+ coagulo;+ Infine+ le+ cellule+ connettivali+ ed+ epiteliali+ proliferano+ riunendo+ i+ margini+

della+ferita+e+ripristinando+la+continuità+dei+tessuti+(cicatrice).+

L’infezione+rappresenta+la+penetrazione+nell’organismo+di+agenti+unicellulari+(batteri,+funghi,+protozoi),+di+virus+o+di+

altri+micro+organismi+intermedi.+

La+ setticemia+ è+ un+ infezione+ generalizzata+ provocata+ dall’ingresso+ e+ dalla+ moltiplicazione+ di+ micro+ organismi+ nel+

sangue,+ essenzialmente+ batteri.+ Quest’ultimi+ possono+ provenire+ dall’esterno+ attraverso+ ferite+ infette+ oppure+ da+

focolai+di+infezione+prePesistenti+all’interno+dell’organismo,+può+essere+caratterizzata+da+febbre+elevata+e+da+altri+stati+

che+possono+condurre+al+collasso+e+alla+morte.+

La+ sterilizzazione+ è+ un+ procedimento+ mediante+ il+ quale+ si+ inattivano+ tutti+ i+ micro+ organismi+ presenti+ nei+ liquidi,+ sui+

solidi+o+nell’atmosfera.+Può+essere+effettuata+con+mezzi+chimici+o+fisici.+

Un+ anticorpo+ è+ una+ molecola+ proteica+ (gammaPglobulina)+ prodotta+ in+ quantità+ notevole+ dall’organismo+ in+ seguito+

all’introduzione+ di+ un+ antigene+ e+ in+ grado+ di+ interagire+ specificatamente+ con+ esso.+ La+ produzione+ di+ anticorpi+ è+

attuata+ da+ cellule+ del+ sistema+ immunitario,+ i+ linfociti:+ quest’ultime+ hanno+ la+ capacità+ di+ memorizzare+ la+ risposta+

Proprietà)dei)materiali))

La# scelta# di# un# materiale# per# la# realizzazione# di# un# dispositivo# dipende# dalle# caratteristiche# chimico4fisiche# del#

materiale.# Tali# caratteristiche# ne# determinano# le# proprietà# funzionali# e# si# dividono# in# chimiche,# meccaniche,#

termiche,# elettriche# e# ottiche.# Per# rilevare# una# qualsiasi# proprietà# occorre# sottoporre# il# materiale# ad# una#

sollecitazione#esterna#e#misurare#la#variazione#di#un#opportuna#grandezza.#Per#esempio#l’elasticità#a#trazione#di#un#

materiale# si# misura# sottoponendo# un# provino# dello# stesso# ad# una# forza# di# trazione# e# misurandone# l’allungamento.#

Ovviamente# la# verifica# avviene# mediante# la# ripetizione# della# misura# effettuata# su# altri# provini# ritenuti# identici#

minimizzando# così# lo# scarto# dovuto# alla# soggettività# della# singola# prova# (es.# errori# di# misura# intriseci# alla#

strumentazione).# Le# principali# caratteristiche# meccaniche# dei# materiali# dipendono# dalla# loro# struttura# e# dai# legami#

chimici#che#tengono#uniti#gli#atomi#costituenti.#Spesso#però#un#dato#materiale#può#essere#sottoposto#a#trattamenti#

che#ne#modificano#le#caratteristiche#meccaniche#per#adattarle#ad#esigenze#specifiche.#In#particolare#gran#parte#delle#

proprietà# meccaniche# sono# funzione# della# temperatura.# Ciò# è# di# grande# utilità# per# poter# effettuare# lavorazioni#

tecnologiche#che#richiedono#proprietà#diverse#da#quelle#standard.#Quando#un#oggetto#è#sottoposto#ad#una#forza#o#un#

momento#esterno,#si#deforma.#Per#caratterizzare#meccanicamente#un#materiale#occorre#dunque#sottoporre#a#forze#o#

a#momenti#un#provino#la#cui#forma#sia#stata#opportunamente#definita#(in#genere#cilindrica#o#a#strisce#sottili).#Il#primo#

tipo# (sforzi# principali)# di# comportamento# è# prodotto# dall’applicazione# di# una# forza# che# produce# una# modifica#

dimensionale# del# provino# senza# modificarne# la# forma.# È# possibile# distinguere# tra# forze# di# trazione# e# forze# di#

compressione.# Il# secondo# tipo# di# comportamento# è# prodotto# dall’applicazione# di# un# momento# che# produce#

modifiche#nella#forma#del#provino.#La#modifica#di#forma#è#in#genere#determinata#dalla#misura#dell’angolo#compreso#

fra#l’orientamento#iniziale#e#quello#finale#di#un#bordo#del#provino.#È#possibile#distinguere#tra#sollecitazioni#di#taglio,#di#

flessione# e# di# torsione.# Quando# un# materiale# sottoposto# ad# una# sollecitazione# modesta# si# deforma# in# modo#

reversibile,#ovvero#se#viene#eliminata#la#sollecitazione#esso#recupera#la#sua#geometria#iniziale,#si#dice#che#è#elastico.#

Esiste# in# genere# un# valore# della# sollecitazione# detto# limite# elastico# oltre# il# quale,# alla# rimozione# della# stessa,# il#

materiale# mantiene# parte# della# deformazione;# Tale# comportamento# è# detto# plastico# e# la# deformazione# residua# è#

detta# deformazione# plastica.# Per# scopi# pratici# è# opportuno# avere# una# relazione# tra# forza# applicata# e# deformazione#

che# prescinda# dalle# dimensioni# del# provino.# A# tale# scopo# si# definiscono# due# nuove# grandezze:# lo# sforzo# e# la#

deformazione#unitaria.#Per#esempio#con#riferimento#alla#prova#di#trazione#si#definisce#sforzo#(sigma)#il#rapporto#tra#la#

forza# applicata# e# l’area# della# sezione# resistente# del# provino# non# deformato# e# si# definisce# deformazione# unitaria#

(epsilon)#il#rapporto#tra#l’allungamento#del#provino#e#la#sua#lunghezza#iniziale.#Per#tanto#lo#sforzo#ha#le#dimensioni#di#

una# pressione# mentre# la# deformazione# è# adimensionale.# Nel# caso# di# sforzo# normale# semplice# o# centrato,# ovvero#

quando# vi# è# una# forza# baricentrica# perpendicolare# alla# sezione,# la# caratteristica# geometrica# che# condiziona# la#

resistenza#è#l’area.#In#altre#parole#tutte#le#sezioni#di#uguale#area#resistono#in#egual#misura#allo#stesso#sforzo#assiale#

indipendentemente# dalla# forma# e# dall’orientamento.# Non# esistono# quindi# sezioni# ottimali# per# lo# sforzo# normale#

semplice.#Quando#è#necessario#distinguere#si#è#soliti#considerare#positive#le#tensioni#di#trazione#e#negative#quelle#di#

compressione.# Lo# sforzo# e# la# deformazione# così# definiti# sono# detti# nominali# o# ingegneristici,# e# valgono# per# piccole#

deformazioni.#Infatti,#quando#la#deformazione#aumenta,#si#ha#una#riduzione#generale#dell’area#resistente#del#provino#

e,#oltre#un#certo#valore,#si#presenta#il#fenomeno#della#strizione#che#consiste#in#una#localizzata#e#significativa#riduzione#

di#superficie#della#sezione#resistente.#Lo#sforzo#sigma#reale#differisce#in#parte#da#quello#precedentemente#definito.#

Molto# utili# per# l’analisi# delle# proprietà# meccaniche# dei# materiali# sono# i# diagrammi# sigma# epsilon.# Tali# grafici#

presentano#un#comportamento#lineare#nei#tratti#elastici;#Per#tale#comportamento#si#definisce#il#modulo#di#elasticità#

uguale# al# rapporto# tra# sigma# ed# epsilon# che# per# la# prova# di# trazione# viene# detto# modulo# di# Young.# Per# la# prova# di#

taglio# il# modulo# di# elasticità# si# indica# con# G.# Sempre# nel# diagramma# sigma# epsilon# è# importante# il# punto# che#

rappresenta# il# limite# elastico# oltre# il# quale# il# provino# si# deforma# plasticamente.# Dunque# se# viene# tolto# il# carico# in#

corrispondenza#di#un#punto#P#al#di#là#del#limite#elastico,#il#provino#si#scarica#mantenendo#a#riposo#una#deformazione#

plastica#permanente.#Il#massimo#della#curva#di#questo#grafico#rappresenta#la#massima#sollecitazione#sopportabile#dal#

provino#prima#di#rompersi,#oltre#tale#punto#avviene#il#fenomeno#della#strizione#con#riduzione#della#forza#necessaria#

per# deformare# ulteriormente# il# provino.# Considerando# che# un# provino# sottoposto# a# trazione# nell’allungarsi# subisce#

una#contrazione#trasversale#del#diametro,#si#definisce#rapporto#di#Poisson#il#rapporto#tra#la#contrazione#trasversale#

!" !"

#e#deformazione#longitudinale# #cambiato#di#segno,#dove#D#è#il#diametro#della#sezione#resistente.#La#rottura#

! !

statica#di#un#materiale#dipende#dalle#caratteristiche#del#materiale#e#dal#tipo#di#sollecitazione.#Per#esempio#per#quanto#

riguarda#la#trazione#è#possibile#distinguere#tra#la#rottura#di#un#materiale#fragile#e#di#uno#duttile.#Il#primo#si#rompe#in#

corrispondenza# di# una# deformazione# pari# a# quella# del# limite# elastico:# tutta# l’energia# assorbita# durante# la#

deformazione# viene# rilasciata# improvvisamente.# Il# secondo# invece# si# deforma# plasticamente# con# una# riduzione#

sensibile# della# sezione# resistente# e# si# rompe# in# corrispondenza# di# deformazioni# superiori:# l’energia# assorbita# nella#

deformazione#è#trasformata#in#calore.#Il#comportamento#fragile#è#tipico#dei#materiali#ceramici,#mentre#quello#duttile#

è# caratteristico# dei# metalli.# In# generale,# la# rottura# di# un# materiale# avviene# per# propagazione# di# una# cricca# che#

compare#nel#piano#di#massima#sollecitazione.#I#materiali#si#rompono#a#causa#di#una#sollecitazione#superiore#a#quella#

di# rottura,# o# a# causa# di# sollecitazioni# minori# ma# cicliche.# Ovviamente# questa# caratteristica# è# di# grande# interesse# in#

biomedica#dove#le#sollecitazioni#sono#quasi#sempre#cicliche#(protesi#d’anca,#protesi#valvolari,#ecc…).#La#sollecitazione#

ciclica#è#detta#di#fatica,#e#il#comportamento#a#fatica#di#un#materiale#è#descrivibile#con#un#grafico#in#cui#in#ordinata#è#

indicato# il# valore# dello# sforzo# massimo# applicato,# mentre# in# ascissa# il# numero# di# cicli# di# sollecitazione.# Per#

sollecitazioni# inferiori# allo# sforzo# di# snervamento# il# materiale# si# rompe# in# corrispondenza# di# un# numero# di# cicli# di#

sollecitazione#crescenti#con#la#diminuzione#dello#sforzo#massimo.#Può#esistere#un#limite#sotto#il#quale#il#materiale#è#in#

grado#di#sopportare,#teoricamente,#un#numero#infinito#di#cicli.#I#fenomeni#di#rottura#per#fatica#avvengono#a#causa#di#

una#o#più#cricche#che,#propagandosi#all’interno#del#materiale#ciclo#dopo#ciclo,#riducono#progressivamente#la#sezione#

resistente,#quando#quest’ultima#è#tale#che#superi#lo#sforzo#di#rottura,#il#materiale#si#rompe.#Per#i#materiali#metallici#la#

resistenza# a# fatica# non# dipende# dalla# frequenza# con# cui# il# materiale# viene# sollecitato,# mentre# per# i# polimeri,# alte#

frequenze# di# sollecitazione# possono# produrre# calore# che# innalza# la# temperatura# del# materiale# modificandone# le#

caratteristiche#meccaniche.#Un#materiale#ha#un#comportamento#viscoelastico#quando#la#relazione#che#lega#lo#sforzo#

e# la# deformazione# dipende# dal# tempo,# ovvero# la# velocità# con# cui# si# deforma# è# determinante# per# la# sua#

caratterizzazione.# In# generale# un# materiale# viscoelastico# ha# un# modulo# di# elasticità# crescente# con# la# velocità# di#

deformazione:#per#alte#velocità#di#deformazione#il#materiale#ha#un#comportamento#sempre#più#elastico#e#con#rottura#

fragile,#mentre#per#basse#velocità#di#deformazione#ha#un#comportamento#sempre#più#plastico.#I#materiali#polimerici#e#

quelli#biologici#sono#viscoelastici#mentre#i#materiali#metallici#e#ceramici,#almeno#nel#range#di#temperatura#corporea,#

hanno# un# comportamento# visco# elastico# trascurabile.# L’aspetto# viscoso# comporta# scorrimenti# interni# del# materiale#

con# un# conseguente# aumento# di# temperatura.# Per# descrivere# il# comportamento# visco# elastico# sono# utilizzati# dei#

modelli# fenomenologici# costituiti# dall’assemblaggio# in# serie# e/o# in# parallelo# di# tre# modelli# elementari:# il# primo# è# il#

modello#di#Hooke#ed#è#rappresentato#da#una#molla;#La#sua#curva#caratteristica#è#lineare#e#una#volta#rimosso#il#carico#

la# molla# torna# alla# sua# lunghezza# iniziale.# Il# secondo# è# detto# modello# di# Newton# ed# è# rappresentato# da# uno#

smorzatore;# La# sua# caratteristica# è# di# velocità# di# deformazione# costante# nel# tempo# ma# variabile# con# il# carico#

applicato;#Una#volta#rimosso#il#carico#il#modello#mantiene#la#deformazione#raggiunta.#Il#terzo#è#detto#di#St.#Venant#ed#

è#rappresentato#da#un#corpo#che#giace#su#di#una#superfice#con#attrito;#Si#comporta#come#il#modello#di#Newton#ma#è#

necessario# uno# sforzo# minimo# per# dare# inizio# alla# deformazione.# Per# caratterizzare# il# materiale# visco# elastico# si#

possono# effettuare# due# tipi# di# prove:# La# prima# consiste# nell’applicare# un# carico# al# provino,# mantenerlo# costante# e#

misurare# la# deformazione# nel# tempo;# La# seconda# consiste# nell’applicare# istantaneamente# una# deformazione# e#

misurare# il# carico# necessario# a# mantenere# la# deformazione# costante# nel# tempo.# La# prima# prova# è# detta# di# Creep,#

mentre# la# seconda# di# rilassamento# dello# sforzo.# I# modelli# composti# più# utilizzati# sono# il# modello# di# Maxwell# a# due#

elementi,#il#modello#di#Kelvin#a#due#elementi#e#il#modello#a#tre#elementi.#Un’importante#differenza#tra#i#materiali#con#

comportamento#elasto4plastico#e#i#materiali#visco#elastici,#è#che#in#questi#ultimi#la#deformazione#avviene#in#parte#per#

scorrimenti#viscosi#fra#le#molecole#costituenti#il#materiale.#Ciò#comporta#che#mentre#nei#materiali#elasto4plastici,#per#

valori#dello#sforzo#inferiori#al#limite#elastico,#il#materiale#restituisce#completamente#l’energia#accumulata,#nei#visco#

elastici#ciò#non#avviene.#Quando#il#carico#viene#rimosso,#la#curva#sforzo4deformazione#di#discesa,#non#ripercorre#la#

curva#di#salita:#l’area#compresa#corrisponde#all’energia#dissipata.#Questo#comportamento#è#detto#isteresi,#e#produce#

calore# che,# innalzando# la# temperatura# del# materiale,# ne# modifica# il# comportamento# meccanico.# Nel# caso# di# un#

materiale# in# cui# la# deformazione# non# torna# mai# a# 0,# si# parla# di# caratteristiche# visco# elasto# plastiche.# Altre#

caratteristiche# dei# materiali# sono:# la# durezza,# ovvero# la# capacità# di# resistere# alla# deformazione# plastica# locale,# in#

particolare# sulla# superficie# esterna.# Dal# momento# che# le# caratteristiche# superficiali# spesso# differiscono# da# quelle#

interne,# la# prova# di# durezza# è# specifica# e# consiste# nell’appoggiare# alla# superfice# del# materiale# un# punzone,#

nell’applicare# una# forza# a# quest’ultimo# e# nel# misurare# le# dimensioni# dell’impronta# lasciata.# Tale# impronta# è# tanto#

minore#quanto#più#duro#è#il#materiale.#I#materiali#più#duri#hanno#una#migliore#resistenza#all’abrasione,#alla#scalfitura#

e#alla#penetrazione.#In#genere#i#più#duri#sono#i#ceramici,#seguiti#dai#metalli#e#dai#polimeri.#

La# resilienza# di# un# materiale# è# la# sua# capacità# di# resistere# all’urto,# ed# è# definita# come# l’energia# necessaria# per#

rompere#il#materiale#in#un#solo#ciclo.#È#quindi#misurabile#come#l’area#sottesa#dalla#curva#sigma4epsilon,#fra#l’origine#e#

la#deformazione#di#rottura#anche#se#spesso#si#misura#con#prove#specifiche.#

Quando#due#corpi#sono#in#contatto#fra#loro,#e#soggetti#ad#un#movimento#relativo,#si#genera#una#forza#che#si#oppone#

al# movimento,# l’attrito.# Esso# dissipa# energia# sotto# forma# di# calore# e# rende# necessario# un# aumento# della# forza#

necessaria# per# far# compiere# movimenti# ai# corpi.# Inoltre# l’attrito# produce# usura# di# una# o# di# entrambe# le# superfici# a#

contatto.#L’usura#và#tenuta#a#livelli#molto#bassi#poiché#genera#due#fenomeni#negativi:#l’alterazione#dimensionale#e#di#

finitura#delle#superfici#a#contatto,#la#produzione#di#detriti#che#possono#danneggiare#sia#l’accoppiamento#tra#superfici#

che#le#strutture#circostanti.#La#forza#di#attrito#è#proporzionale#ai#coefficienti#di#attrito#statico#e#dinamico:#il#primo#è#in#

relazione#alla#forza#per#mettere#in#movimento#il#corpo,#il#secondo#per#mantenerlo.#Il#coefficiente#di#attrito#statico#è#

sempre#maggiore#di#quello#dinamico.#Le#forze#di#attrito#dipendono#sia#dalla#rugosità#delle#superfici#di#scorrimento,#

sia# dalla# loro# natura# chimica.# Il# contatto# fra# due# corpi# non# avviene# infatti# su# tutta# la# superficie# ma# solo# in#

corrispondenza#di#alcune#asperità#per#cui#maggiore#è#la#rugosità,#minore#sarà#la#superfice#di#contatto.#Da#ciò#deriva#

che#per#modeste#forze#di#contatto#si#hanno#elevati#sforzi#di#compressione#sulle#punte#delle#asperità:#ciò#può#portare#

a# plasticizzazione# e# formazione# di# legami# locali.# I# tre# principali# meccanismi# con# cui# si# produce# usura# quando# i# due#

corpi# sono# in# moto# relativo# sono:# quello# dell’usura# abrasiva,# che# si# verifica# quando# le# asperità# della# superficie# più#

dura# rigano# la# superficie# su# cui# scorrono;# l’altro# è# quello# dell’adesione# di# una# sottile# pellicola# che# si# stacca# dalla#

superfice# più# tenera# e# aderisce# a# quella# più# dura;# Infine# quello# in# cui# i# detriti# ottenuti# per# usura# abrasiva,# o# una#

porzione# del# transfer# film# (pellicola),# rimangono# intrappolati# come# terzo# corpo# fra# le# due# superfici.# L’usura# può#

essere#ridotta#migliorando#la#finitura#superficiale#e#lubrificando#l’accoppiamento.#

La#proprietà#termica#di#interesse,#nel#caso#dei#materiali#ingegneristici#biomedici,#è#la#temperatura#corrispondente#a#

passaggio#di#stato#solido4liquido.#Nei#polimeri#esiste#una#temperatura#di#transizione,#dallo#stato#gommoso#a#quello#

fuso,# detta# di# rammollimento.# Per# i# materiali# metallici# elementari# il# passaggio# di# stato# solido4liquido# avviene#

regolarmente,# mentre# per# le# leghe# si# può# avere# un# campo# di# temperature# in# cui# si# ha# la# coesistenza# fra# una# fase#

solida#e#una#liquida#a#differenti#concentrazioni.#Anche#i#materiali#ceramici#hanno#questa#temperatura#caratteristica#in#

genere#molto#superiore#agli#altri#materiali#o,#come#i#metalli,#presentano#un#campo#di#temperature#di#transizione.#Tale#

proprietà#non#è#di#particolare#utilità#nel#caso#di#applicazioni#biomediche#in#quanto#le#temperature#di#esercizio#sono#in#

genere#inferiori#a#40°C.#È#invece#utile#per#le#tecnologie#di#lavorazione#in#cui#si#sfrutta#la#fase#liquida#per#dare#forma#al#

pezzo.# Altre# caratteristiche# termiche# che# è# utile# conoscere# soprattutto# in# relazione# ai# processi# tecnologici# sono:# il#

calore# di# fusione,# il# calore# specifico# e# il# coefficiente# di# dilatazione# termica.# Il# calore# di# fusione# è# l’energia# termica#

necessaria# per# fondere# una# unità# di# massa# del# materiale;# Il# calore# specifico# è# l’energia# termica# necessaria# per#

aumentare# di# un# grado# centigrado# la# temperatura# di# una# unità# di# massa# del# materiale;# Il# coefficiente# termico# di#

dilatazione#lineare#è#definito#come#la#variazione#di#lunghezza#per#unità#di#lunghezza#e#per#una#variazione#unitaria#di#

temperatura# dove# è# il# coefficiente# di# dilatazione# lineare.# Se# il# materiale# è# isotropo# e# omogeneo,# il#

!" = ! !"## !#

!

coefficiente# termico# volumetrico# è# uguale# a# tre# volte# quello# lineare.# A# volte# capita# che# gli# effetti# della# dilatazione#

termica# possano# determinare# ritiri# indesiderati,# sia# del# cemento,# sia# del# metallo# delle# varie# protesi.# Un’altra#

importante# proprietà# è# la# conduttività# termica# definita# come# la# quantità# di# calore# che# attraversa# un# materiale#

nell’unità#di#tempo#per#unità#di#area#di#passaggio.##

La# proprietà# elettrica# principale# di# un# materiale# è# la# resistenza.# Essa# è# legata# alla# corrente# e# alla# differenza# di#

!

potenziale#dalla#legge#di#Ohm!! .#La#resistenza#elettrica#aumenta#con#la#lunghezza#del#provino,#e#diminuisce#con#

= !

l’aumentare# della# sezione# ed# è# legata# anche# alla# resistività# del# materiale.# Nella# maggior# parte# dei# materiali# la#

resistività# dipende# solo# dalla# temperatura,# mentre# nei# semiconduttori# è# legata# anche# alla# tensione# applicata.# La#

resistività# è# molto# bassa# nei# metalli,# mentre# è# molto# elevata# nei# polimeri# e# nei# materiali# ceramici# che# sono#

solitamente#isolanti.#La#conoscenza#della#resistività#è#necessaria#per#quei#dispositivi#che#funzionano#elettricamente#e#

nel# caso# dei# biomateriali# si# tratta# in# genere# di# elettrodi# che# in# alcuni# casi# possono# essere# impiantabili.# Un’altra#

proprietà# elettrica# importante# è# la# piezoelettricità# che# descrive# la# possibile# relazione# tra# aspetti# meccanici# ed#

elettrici:#l’effetto#piezoelettrico#diretto#consiste#nella#polarizzazione#elettrica#che#si#genera#in#un#materiale#in#stato#di#

sforzo#causato#dall’applicazione#di#un#carico;#L’effetto#piezoelettrico#consiste#nella#deformazione#di#un#materiale#a#

causa# dell’applicazione# di# un# campo# elettrico,# solo# alcuni# materiali# con# particolare# struttura# che# determinano#

asimmetria#nelle#cariche#hanno#proprietà#piezoelettriche.#L’osso#ha#modeste#proprietà#piezoelettriche.#Anche#alcuni#

materiali#ceramici#e#polimerici#hanno#proprietà#piezoelettriche;#Tra#le#applicazioni#biomediche#più#interessanti#vi#è#la#

realizzazione#di#sensori#per#grandezze#meccaniche#come#la#pressione.#

Per#quanto#riguarda#le#proprietà#ottiche#bisogna#considerare#che#quando#un#raggio#luminoso#incide#su#una#superfice#

che# divide# due# sostanze# in# parte# viene# riflesso,# in# parte# trasmesso.# Il# raggio# riflesso# forma# un# angolo# rispetto# alla#

normale# alla# superficie# pari# all’angolo# di# incidenza.# Il# raggio# trasmesso# forma# un# angolo# rispetto# alla# normale# alla#

superficie# che# è# descritto# dalla# relazione# ,# dove# N# e# M# sono# gli# indici# di# rifrazione# delle# due#

!"#!! = !"#$!

! !

sostanze# # e# # sono# gli# angoli# di# incidenza# e# di# rifrazione# misurati# rispetto# alla# normale.# L’indice# di# rifrazione# è#

! !

! !

definito#come#il#rapporto#tra#le#velocità#della#luce#nel#vuoto#e#la#velocità#della#luce#nel#mezzo#considerato.##

I# raggi# X# sono# onde# elettromagnetiche# con# lunghezze# d’onda# inferiori# ed# energie# superiori# rispetto# alle# onde#

luminose.# I# tessuti# molli# del# corpo# contengono# per# la# maggior# parte# carbonio,# idrogeno# e# ossigeno,# perciò# sono#

abbastanza#trasparenti#ai#raggi#X.#Le#ossa,#invece,#contengono#calcio#e#fosforo,#e#assorbono#parzialmente#i#raggi#X#

risultando# i# più# visibili.# La# capacità# di# assorbire# i# Raggi# X# è# importante# per# controllare# il# posizionamento# o# il#

funzionamento# di# protesi# impiantate# all’interno# del# corpo:# le# parti# metalliche# sono# ben# visibili# a# differenza# dei#

materiali#polimerici.#Quando#è#necessario#rendere#visibile#un#impianto#realizzato#con#materiali#radio#trasparenti,#si#

aggiungono#sostanze#radiopache.##

La# densità# di# un# materiale# è# definita# come# il# rapporto# tra# la# massa# e# il# volume.# Quando# è# significativamente#

differente# dalla# densità# dei# tessuti# che# devono# essere# sostituiti# con# quel# materiale# possono# generarsi# migrazioni#

dell’impianto#o#anche#danni#meccanici#ai#tessuti#circostanti.##

La#porosità#è#data#dalla#relazione#! #dove#! #è#la#frazione#di#volume#solido,#ovvero#il#rapporto#tra#il#volume#

= 1 − !

! !

di#materiale#non#poroso#e#il#volume#d#una#uguale#massa#dello#stesso#materiale#poroso.#I#pori#possono#essere#aperti#o#

chiusi:#i#primi#costituiscono#una#superfice#esterna#del#materiale,#mentre#i#secondi#sono#spazi#pieni#di#gas#interni#al#

materiale.#I#primi#dunque,#oltre#a#diminuire#la#densità,#possono#anche#rendere#più#permeabile#il#materiale.#I#materiali#

porosi#sono#utilizzati#in#biomedica#per#filtrare#liquidi#biologici,#o#per#consentire#l’ancoraggio#di#un#materiale#ai#tessuti#

circostanti.#In#quest’ultimo#caso#l’ancoraggio#avviene#tramite#la#penetrazione#di#cellule#e#di#componenti#dei#tessuti#

all’interno# dei# pori.# In# altre# applicazioni# invece# la# porosità# può# essere# dannosa# in# quanto# aumenta# il# rischio# di#

cedimento#meccanico.#

Le# proprietà# acustiche# di# un# materiale# sono# legate# alle# onde# acustiche# e# quelle# ultrasoniche.# Si# tratta# di# onde#

elastiche# ovvero# onde# di# pressione# che# si# propagano# in# un# mezzo# con# velocità# decrescente# all’aumentare# della#

densità.#Quando#un#onda#acustica#o#ultrasonica#raggiunge#una#superfice#che#divide#due#differenti#sostanze,#in#parte#

viene# trasmessa,# e# in# parte# riflessa.# Nei# dispositivi# biomedici# le# proprietà# acustiche# sono# utilizzate# per# generare# le#

immagini#ultrasoniche.#Le#apparecchiature#diagnostiche#ad#ultrasuoni#si#basano#sulla#lettura#degli#ultrasuoni#riflessi:#

dunque,# sono# visibili# quelle# sostanze# che# determinano# variazioni# di# impedenza# acustica.# Pertanto# gli# ultrasuoni#

possono# vedere# le# sostanze# polimeriche,# che# sono# invece# trasparenti# ai# raggi# X# in# quanto# hanno# un# impedenza#

acustica#superiore#a#quella#degli#altri#tessuti.#

Nelle# applicazioni# biomediche# la# diffusione# avviene# attraverso# materiale# la# cui# forma# è# approssimabile# ad# una#

pellicola# sottile.# In# tal# caso# il# flusso# volumetrico# che# attraversa# la# membrana# di# area# A# è# dove# è# la#

!"#$# !"#

differenza# di# concentrazione,# o# la# differenza# di# pressione# parziale# (gas),# k# è# il# coefficiente# di# permeabilità.# Le#

proprietà#diffusive#sono#applicate#nelle#lenti#a#contatto#in#cui#è#importante#che#l’ossigeno#si#diffonda#per#ossigenare#

la#cornea.#

anticorpale,+ per+ cui+ un+ secondo+ contatto+ con+ lo+ stesso+ antigene+ provoca+ una+ maggiore+ reazione+ dell’organismo+ in+

tempo+minore+(immunità).+

Il+rigetto+è+la+reazione+di+un+organismo+nei+confronti+di+un+tessuto+o+di+un+organo+trapiantato:+rappresenta+la+risposta+

dell’organismo+verso+ciò+che+non+riconosce+come+appartenente+a+se+stesso.+Per+evitare+il+rigetto,+il+trapianto+viene+

effettuato+ solo+ se+ esiste+ compatibilità+ antigenica+ tra+ donatore+ e+ ricevente,+ e+ accompagnandolo+ con+ la+

somministrazione+di+farmaci+immunosoppressori.+Il+rigetto+non+può+avvenire+nel+caso+di+impianto+di+un+dispositivo+

medico+poiché+non+sono+presenti+le+reazioni+immunitarie+in+quanto+l’interazione+tra+tessuto+ospite+e+materiale+non+

vivente+è+di+tipo+chimico+o+fisico.+

L’allergia+è+il+complesso+di+reazioni+immunitarie+a+sostanze+estranee+che+non+adempie+di+per+sé+a+funzioni+protettive+

ma+ al+ contrario+ è+ tale+ da+ generare+ fenomeni+ nocivi.+ Inoltre+ la+ reazione+ allergica+ è+ evocata+ da+ sostanze+ per+ lo+ più+

sprovviste+ di+ qualsiasi+ azione+ tossica+ sull’organismo+ (allergeni).+ Tali+ manifestazioni+ possono+ essere+ limitate+ o+

interessare+l’intero+organismo.+

Il+ processo+ di+ guarigione+ di+ una+ lesione+ tissutale+ segue+ ogni+ intervento+ chirurgico,+ sia+ che+ si+ tratti+ di+ una+ semplice+

interruzione+della+continuità+del+tessuto,+sia+l’asportazione+di+porzioni+di+tessuto+che+possono+essere+sostituite+con+

materiali+artificiali.+L’organismo+tenta+di+ripristinare+la+continuità+interrotta.+La+guarigione+di+una+lesione+è+sempre+

mediata+ dal+ processo+ infiammatorio+ che+ avviene+ con+ i+ seguenti+ meccanismi:+ i+ capillari+ lesi+ si+ vaso+ costringono+ per+

ridurre+l’emorragia;+le+cellule+endoteliali+che+costituiscono+la+parete+dei+capillari+aumentano+la+loro+attività;+i+capillari+

si+ricoprono+di+globuli+bianchi,+globuli+rossi+e+piastrine;+Si+ha+quindi+una+vaso+dilatazione+con+perdita+di+plasma+dai+

capillari;+ Il+ plasma+ combinato+ con+ i+ globuli+ bianchi+ e+ le+ cellule+ morte+ dei+ tessuti+ lesi+ forma+ l’essudato;+ Quando+

l’essudato+si+arricchisce+ulteriormente+di+globuli+bianchi+si+chiama+pus:+asettico+nel+caso+in+cui+non+sia+contaminato+

da+micro+organismi,+oppure+settico;+Anche+i+vasi+linfatici+sono+solitamente+danneggiati+e+vengono+riparati+dal+liquido+

perso+ dai+ capillari+ che+ fornisce+ anche+ fibrinogeno.+ Proprio+ questi+ eventi+ determinano+ la+ tumefazione,+

l’arrossamento,+l’aumento+di+temperatura+e+il+dolore.+Se+non+esiste+possibilità+di+drenare+le+cellule+dei+tessuti+morti+si+

verifica+ un+ grave+ processo+ infiammatorio+ distruttivo+ che+ porta+ ad+ un+ ascesso+ necrotico;+ Perciò+ vengono+ inseriti+ a+

seguito+ di+ un+ intervento+ chirurgico+ dei+ drenaggi+ all’interno+ delle+ lesioni+ finché+ non+ si+ conclude+ l’infiammazione.+ In+

genere+le+fasi+di+proliferazione+e+rimodellamento+che+portano+alla+cicatrizzazione+richiedono+settimane.+La+cicatrice+

nella+maggior+parte+dei+tessuti+è+costituita+da+collagene+e+la+cicatrizzazione+rappresenta+un+processo+di+riparazione+

(solo+nelle+ossa+e+nel+fegato+vi+è+una+reale+rigenerazione+del+tessuto+leso).+Un+caso+particolare+di+guarigione+è+quello+

che+riguarda+le+sierose+(la+pleura+che+contiene+i+polmoni,+il+pericardio+che+contiene+il+cuore,+il+peritoneo+che+contiene+

i+ visceri).+ A+ seguito+ della+ lesione+ delle+ sierose+ il+ processo+ infiammatorio+ può+ condurre+ ad+ aderenze+ costituite+ da+

tessuto+fibroso+lasso,+compatto+o+calcificato.+Tali+aderenze+possono+limitare+i+movimenti+degli+organi+riducendone+la+

funzionalità.+Quando+all’interno+dell’organismo+è+posizionato+un+materiale+esterno+in+generale+la+reazione+è+quella+di+

espellerlo.+Se+il+materiale+estraneo+è+liquido,+l’eliminazione+avviene+tramite+aggressione+e+metabolizzazione.+Nel+caso+

in+cui+il+materiale+sia+solido+l’organismo+tende+a+espellerlo+se+mobile,+come+una+scheggia+nella+cute,+o+ad+isolarlo+con+

una+ superficie+ epiteliale+ se+ non+ può+ essere+ spinto+ verso+ la+ superficie.+ Inizialmente+ i+ tessuti+ lesi+ sono+ sede+ di+ un+

processo+infiammatorio+che+tenta+di+ripararli.+La+reazione+tipica+è+la+comparsa+di+macrofagi+che+tendono+a+fagocitare+

il+corpo+estraneo.+Nel+caso+in+cui+quest’ultimo+sia+chimicamente+inerte,+i+macrofagi,+possono+non+essere+presenti+e+il+

corpo+ estraneo+ viene+ incapsulato+ in+ un+ sottile+ strato+ di+ collagene.+ Se+ invece+ il+ corpo+ estraneo+ non+ dovesse+ essere+

inerte,+il+tipo+di+reazione+infiammatoria+dipende+dall’interazione+chimica+o+fisica+fra+i+tessuti+e+i+materiali+estranei.+Nel+

caso+ dei+ metalli+ l’evento+ più+ probabile+ è+ la+ corrosione+ con+ rilascio+ di+ ioni+ metallici+ nei+ tessuti.+ Ciò+ conduce+ ad+ una+

riduzione+delle+caratteristiche+meccaniche+del+dispositivo+e+la+presenza+di+ioni+metallici+talvolta+tossici.+Il+diffondersi+

di+quest’ultimi+può+determinare+effetti+sistemici,+cioè+non+localizzati+nella+sede+di+rilascio+ma+diffusi+dalla+corrente+

ematica.+ I+ materiali+ polimerici+ hanno+ in+ genere+ un+ elevato+ peso+ molecolare+ e+ sono+ quindi+ potenzialmente+ inerti,+

sebbene+altre+sostanze,+come+residui+di+monomeri,+antiossidanti+o+plastificanti,+possano+essere+rilasciate,+ed+essendo+

solitamente+tossiche,+siano+la+causa+di+danni+locali+o+sistemici.+In+alcuni+casi+i+polimeri+sono+indotti+all’attività+chimica+

per+ fini+ specifici+ di+ interazione+ positiva.+ I+ materiali+ ceramici+ sono+ generalmente+ inerti+ dal+ punto+ di+ vista+ chimico+ e+

quindi+sono+sostanzialmente+incapsulati+da+tessuto+connettivo.+È+importante+notare+che+se+il+materiale+impiantato+

non+ fosse+ pulito+ e+ sterile+ possa+ portare+ ad+ effetti+ tossici+ e+ processi+ infettivi+ che+ costringano+ alla+ rimozione+

dell’impianto.+ Gran+ parte+ delle+ protesi,+ degli+ organi+ artificiali,+ dei+ dispositivi+ medici+ svolgono+ la+ loro+ funzione+ a+

contatto+ con+ il+ sangue+ e+ i+ danni+ prodotti+ ad+ esso+ possono+ avere+ sia+ effetti+ specifici+ locali,+ sia+ sistemici.+ Il+ requisito+

fondamentale+ di+ un+ materiale+ che+ deve+ svolgere+ la+ sua+ funzione+ a+ contatto+ con+ il+ sangue+ è+ l’emocompatibilità.+ Il+

sangue+è+un+tessuto+connettivo+costituito+da+una+parte+liquida+detta+plasma+e+da+una+parte+corpuscolata+formata+da+

globuli+ rossi,+ globuli+ bianchi+ e+ piastrine.+ I+ due+ principali+ effetti+ che+ possono+ derivare+ dal+ contatto+ di+ un+ materiale+

esterno+ e+ il+ sangue+ sono:+ la+ coagulazione+ e+ il+ danneggiamento+ della+ parte+ corpuscolata.+ La+ coagulazione+ è+ un+

processo+fisiologico+che+ha+lo+scopo+di+impedire+l’emorragia.+Nonostante+il+sangue+da+liquido+diventi+solido+non+vi+è+

un+passaggio+di+stato,+non+si+tratta+perciò+di+un+processo+fisico+reversibile,+ma+di+una+complessa+sequenza+di+reazioni+

biochimiche.+Il+coagulo+è+formato+da+un+reticolo+di+una+proteina+solubile,+la+fibrina,+nel+quale+si+intrappolano+globuli+

rossi.+La+fibrina+si+forma+da+una+sostanza+proteica+contenuta+nel+plasma,+il+fibrinogeno,+quando+questo+viene+attivato+

dalla+trombina.+Quest’ultima+a+sua+volta+si+forma+dalla+protrombina+alla+presenza+di+tromboplastina+e+di+ioni+calcio.+

Anche+ le+ piastrine+ possono+ intervenire+ nel+ processo+ a+ cascata+ attivando+ sia+ la+ reazione+ protrombinaPtrombina,+ sia+

favorendo+ la+ conversione+ del+ fibrinogeno+ in+ fibrina.+ Esistono+ delle+ sostanze+ capaci+ di+ inibire+ il+ processo+ di+

coagulazione+e+in+particolare+gli+antiaggreganti+piastrinici+e+l’eparina.+In+generale+la+coagulazione+si+attiva+quando+il+

sangue+è+in+contatto+con+superfici+diverse+da+quelle+del+sistema+cardiovascolare.+I+rischi+sono+molteplici,+ad+esempio,+

l’occlusione+di+protesi+vascolari+e+di+cateteri,+e+la+limitazione+o+il+bloccaggio+di+protesi+valvolari+cardiache.+Il+coagulo+

può+ rimanere+ attaccato+ alla+ zona+ dove+ si+ è+ formato+ (trombo),+ oppure,+ può+ distaccarsi+ (embolo)+ con+ il+ rischio+ di+

essere+spinto+verso+arterie+più+piccole+dove+può+occludere+il+lume+arterioso+impedendo+il+flusso+di+sangue+nelle+zone+

più+a+valle.+Proprio+per+questo+l’embolo+può+risultare+mortale.+Al+fine+di+limitare+i+fenomeni+tromboembolici+occorre+

controllare+alcune+caratteristiche+superficiali+del+materiale+estraneo:+la+rugosità+(il+sangue+coagula+preferibilmente+e+

più+rapidamente+su+superfici+rugose,+le+superfici+a+contatto+con+il+sangue+vengono+perciò+lucidate);+la+bagnabilità+(il+

sangue+coagula+preferenzialmente+su+superfici+idrofobe);+la+carica+superficiale+(il+sangue+coagula+preferibilmente+su+

superfici+ elettropositive+ in+ quanto+ la+ parte+ corpuscolata+ del+ sangue+ ed+ in+ particolare+ le+ piastrine+ sono+

elettronegative).+ L’altro+ possibile+ problema+ è+ il+ danno+ alla+ parte+ corpuscolata,+ in+ particolare+ ai+ globuli+ rossi.+

Quest’ultimi+ sono+ elementi+ cellulari+ che+ contengono+ l’emoglobina,+ proteina+ che+ svolge+ la+ funzione+ di+ trasportare+

l’ossigeno.+La+rottura+dei+globuli+rossi,+detta+emolisi,+provoca+il+rilascio+e+la+degradazione+dell’emoglobina+nel+plasma;+

Inoltre+la+membrana+cellulare+del+globulo+rosso,+detta+stroma,+dev’essere+eliminata+dopo+la+sua+rottura:+se+l’emolisi+

coinvolge+ un+ alto+ numero+ di+ globuli+ rossi,+ la+ presenza+ di+ membrane+ cellulari+ può+ intasare+ i+ reni.+ È+ pertanto+

importante+evitare+che+l’impianto+di+un+dispositivo+medico+provochi+emolisi+garantendo+condizioni+fluidodinamiche+

tali+ da+ minimizzare+ gli+ sforzi+ di+ taglio+ e+ urti.+ Esistono+ dei+ dispositivi+ medici+ che+ attraversano+ permanentemente+ la+

cute,+ come+ ad+ esempio+ i+ drenaggi,+ gli+ impianti+ dentali+ endossei.+ Per+ una+ migliore+ comprensione+ sono+ necessarie+

delle+definizioni+preliminari:++

Percutaneo+–+che+penetra+permanentemente+attraverso+una+lesione+della+pelle+creata+chirurgicamente+

Pergengivale+ –+ che+ penetra+ permanentemente+ attraverso+ una+ lesione+ della+ mucosa+ gengivale+ creata+

chirurgicamente+o+attraverso+la+discontinuità+ottenuta+con+l’estrazione+di+un+dente,+come+negli+impianti+dentali+

Transcutaneo+–+che+penetra+attraverso+la+pelle+intatta,+come+nella+trasmissione+di+energia+mediante+onde+o+campi+

elettromagnetici++

Linea+a+tre+fasi+–+linea+immaginaria+che+circonda+l’impianto+e+che+è+formato+dalle+fasi+tessuto,+ambiente+esterno+e+

materiale+dell’impianto.+

Avulsione+–+rottura+meccanica+dell’interfaccia+

Estrusione+ –+ distruzione+ della+ continuità+ tra+ tessuto+ e+ materiale+ dell’impianto+ con+ perdita+ di+ funzionalità+

dell’impianto+

Marsupializzazione+–+processo+di+migrazione+epidermica+interna+lungo+un+impianto+percutaneo+che+forma+una+borsa+

epidermica+nella+quale+si+ferma+l’impianto+

Permigrazione+ –+ processo+ per+ cui+ le+ cellule+ basali+ dell’epidermide+ migrano+ attraverso+ i+ pori+ di+ un+ impianto,+

eventualmente+riempiendoli+con+i+prodotti+di+scarto+del+processo+

I+principali+modi+per+cui+un+impianto+percutaneo+può+fallire+sono:+estrusione+causata+da+marsupializzazione+(quando+

un+ dispositivo+ non+ poroso+ viene+ impiantato+ in+ posizione+ percutanea,+ le+ cellule+ basali,+ partendo+ dai+ bordi+ lesi+

dell’epidermide,+iniziano+a+migrare+e+a+proliferare+verso+l’impianto,+portando+alla+formazione+di+una+tasca+cutanea);+

estrusione+ causata+ da+ permigrazione+ (quando+ un+ dispositivo+ con+ superficie+ porosa+ viene+ impiantato+ in+ posizione+

percutanea,+ inizia+ il+ riempimento+ dei+ pori+ da+ parte+ del+ tessuto+ connettivo+ + e+ delle+ cellule+ basali+ dell’epidermide);+

estrusione+causata+da+infezione+e+da+formazione+di+ascesso+(in+presenza+di+un+processo+infettivo+si+osserva+lo+stesso+

esito+negli+impianti+porosi+e+quelli+non+porosi,+l’infezione+impedisce+al+tessuto+connettivo+di+crescere+dentro+i+pori+

dell’impianto+ e+ distrugge+ il+ tessuto+ già+ cresciuto.+ Si+ forma+ una+ capsula+ intorno+ all’impianto+ che+ contiene+ masse+ di+

cellule+derivanti+dall’infiammazione+acuta);+Estrusione+causata+da+avulsione+(gli+impianti+percutanei+sono+soggetti+a+

movimenti+ che+ possono+ indurre+ sollecitazioni+ meccaniche+ sulla+ pelle+ circostante+ causando+ il+ danneggiamento+ del+

tessuto+all’interfaccia);+estrusione+causata+da+qualsiasi+combinazione+delle+precedenti+cause.+

Materiali(Metallici(

I"materiali"metallici"trovano"impiego"nella"fabbricazione"di"strumentario"chirurgico,"di"protesi"ortopediche,"dentali"e"

di"mezzi"di"osteosintesi."Ciò"dipende"dalle"loro"proprietà"meccaniche"che"permettono"la"realizzazione"di"protesi"in"

grado" di" sopportare" carichi" elevati" con" piccole" sezioni." Ciò" avviene" per" cinque" motivi" principali:" hanno" un" elevato"

modulo" elastico" ed" un" elevato" carico" di" snervamento;" hanno" buona" duttilità" e" quando" il" carico" supera" lo"

snervamento" la" struttura" si" deforma" plasticamente" invece" di" rompersi;" hanno" un" elevata" resistenza" alla" fatica"

meccanica"e"quindi"resistenza"a"carichi"ciclici;"possono"essere"lavorati"utilizzando"tecnologie"tradizionali"in"modo"da"

modificare"le"loro"proprietà"meccaniche;"hanno"un"ottima"biocompatibilità"se"si"cura"con"attenzione"la"tecnologia"di"

fabbricazione." Tale" biocompatibilità" è" connessa" alla" corrosione" in" ambiente" biologico," in" quanto" all’interno"

dell’organismo" i" fluidi" biologici" hanno" un" elevato" potere" corrosivo" sui" metalli;" Ciò" porta" alla" perdita" di" materiale"

metallico"da"parte"dell’impianto"con"perdita"di"funzionalità"e"contaminazione"metallica"dei"tessuti."Per"i"dispositivi"

non"impiantati"come"ferri"chirurgici,"i"metalli"presentano"inconvenienti"minori."I"metalli"elementari"presentano"solo"

3" reticoli" cristallini:" il" cubico" a" corpo" centrato" (CCC)," il" cubico" a" facce" centrate" (CFC)" e" l’esagonale" compatto" (EC)."

Ognuna"di"queste"celle"è"caratterizzata"da"tre"indici:"il"numero"di"cordinazione"(NC)"rappresenta"il"numero"di"atomi"

con" cui" ogni" atomo" è" in" contatto" (per" CCC=8," CFC=12," EC=12);" Il" numero" di" atomi" per" cella" (AC)" rappresenta" il"

numero" intero" di" atomi" che" competono" alla" cella" elementare" (per" CCC=2," CFC=4,EC=6);" Il" fattore" di"

impacchettamento"(FI)"rappresenta"il"rapporto"tra"il"volume"occupato"dagli"atomi"in"una"cella"e"il"volume"della"cella"

(CCC=0.68,CFC" ed" EC=0.74)." Salvo" casi" particolari" i" polimeri" cristallini" mostrano" una" diversa" organizzazione"

strutturale"rispetto"ai"solidi"metallici."Nel"caso"in"cui"sostanze"presentino"differenti"possibili"reticoli"(polimorfismo)"il"

passaggio" da" un" reticolo" all’altro" è" possibile" sottoponendo" il" materiale" a" sollecitazione" pressoria" o" termica." Sono"

inoltre" presenti" errori" nella" costruzione" reticolare" come" atomi" mancanti," atomi" in" posizioni" non" reticolari," atomi"

estranei"nel"reticolo."Inoltre"è"possibile"costituire"intenzionalmente"delle"miscele"solide"e"delle"leghe."Le"imperfezioni"

possono"interessare"una"piccolissima"percentuale"di"atomi"modificando"moltissimo"le"caratteristiche"del"materiale."I"

difetti"possono"essere"puntuali,"lineari"e"superficiali:"i"difetti"puntuali"comprendono"la"vacanza"(assenza"di"uno"o"più"

atomi)," atomi" auto" interstiziali" (atomi" che" occupano" una" posizione" non" reticolare)," atomi" sostituzionali" (atomi" di"

elementi" diversi" che" occupano" posizioni" reticolari)," atomi" interstiziali" (atomi" di" elementi" diversi" che" occupano"

posizioni"non"reticolari)."La"presenza"di"un"difetto"puntuale"permette"il"fenomeno"della"diffusione"atomica"allo"stato"

solido." I" difetti" lineari" o" dislocazioni:" sono" difetti" lineari" del" reticolo" misurabili" mediante" il" circuito" di" Burgers."

Quest’ultimo" si" ottiene" costruendo" un" circuito" reticolare" chiuso" in" un" reticolo" perfetto" e" riportandolo" in" uno"

contenente"una"dislocazione;"A"questo"punto"il"circuito"non"è"più"chiuso"e"per"chiuderlo"occorre"un"vettore,"detto"

vettore" di" Burgers" che" ha" come" modulo" un" numero" intero" di" distanze" reticolari." Quando" il" vettore" e" il" circuito" di"

Burgers"giacciono"sullo"stesso"piano"la"dislocazione"è"a"spigolo;"Viceversa"se"sono"perpendicolari"la"dislocazione"è"a"

vite." Difetti" di" superficie" o" bordi" di" grano:" sono" dovute" al" fatto" che" nella" quasi" totalità" dei" casi" i" solidi" non" sono"

monocristalli" ma" aggregati" policristallini," in" cui" i" singoli" cristalli," detti" grani," sono" orientati" casualmente" fra" loro,"

conferendo"isotropia"al"materiale."Ai"bordi"di"grano"sono"associati"difetti"reticolari"dovuti"alla"vicinanza"tra"reticoli"

diversamente" orientati" che" interferiscono;" Tali" distorsioni" reticolari" sui" bordi" rendono" meno" stabile" il" materiale"

policristallino." I" metalli" sono" ottimi" conduttori" elettrici" e" termici" grazie" al" legame" metallico" che" tiene" insieme" gli"

atomi;"Hanno"proprietà"meccaniche"elastoplastiche"e"mostrano"un"comportamento"dipendente"solo"dal"numero"di"

cicli"e"non"dalla"loro"frequenza."I"materiali"metallici"possono"essere"ottenuti"come"metalli"elementari"(ferro,"rame,"

cobalto,"titanio,"oro)"oppure"come"leghe"per"ottenere"materiali"con"specifiche"proprietà."In"alcune"leghe"è"presente"

come"elemento"anche"il"carbonio"che"non"è"un"metallo,"al"quale"sono" dovuti" i" carburi." Le" proprietà" delle" leghe" in"

funzione"della"temperatura"e"della"composizione"si"deducono"dei"diagrammi"di"fase;"una"fase"è"una"combinazione"

omogenea"di"elementi"che"ha"struttura"cristallina"e"proprietà"costanti."Il"diagramma"di"fase"rappresenta"in"un"piano"

composizione[temperatura," le" regioni" di" esistenza" dei" composti" con" proprietà" costanti" all'equilibrio." I" più" semplici"

sono" i" diagrammi" di" fase" delle" leghe" binarie." I" principali" passi" del" percorso" tecnologico" che" porta" dal" materiale" di"

partenza"al"pezzo"finito"sono:"la"fabbricazione"della"lega,"la"fusione,"le"lavorazioni"meccaniche,"trattamenti"termici"e"

finitura." La" produzione" delle" leghe" inizia" con" l’estrazione" dei" metalli" dai" minerali" che" li" contengono;" Dopodiché" il"

materiale"metallico"è"purificato"eliminando"sostanze"estranee."La"lega"viene"ottenuta"mescolando"allo"stato"fuso"e"

nelle"proporzioni"corrette"i"vari"metalli"in"condizioni"tali"da"impedire"reazioni"chimiche"tra"i"metalli"e"le"altre"sostanze"

eventualmente" presenti." La" lega" viene" fatta" solidificare" in" lingotti" e" il" raffreddamento" controllato" consente" di"

ottenere" leghe" con" le" strutture" definite" dai" diagrammi" di" fase." Le" leghe" così" ottenute" possono" essere" sia" rifuse" e"

colate" in" opportuni" stampi," sia" deformate" plasticamente" a" caldo" o" a" freddo." Occorre" considerare" che" nella"

lavorazione" di" un" componente" in" lega" metallica" la" tecnologia" utilizzata" consente" di" ottenere" la" forma" richieste" ed"

influisce" sulle" proprietà" meccaniche." Per" tale" motivo" la" colata" in" getto" è" poco" utilizzata." Un" metodo" per" ottenere"

pezzi"finiti"con"migliori"caratteristiche"meccaniche"è"la"pressofusione"in"cui"la"solidificazione"avviene"in"condizione"di"

elevata"pressione."La"fusione"a"cera"persa"consente"l’ottenimento"di"oggetti"di"forme"molto"complesse:"il"processo"

consiste"nella"fabbricazione"di"un"modello"di"cera"e"nel"suo"rivestimento"con"sabbia"o"con"resine"termoindurenti;"A"

questo"punto"il"modello"rivestito"viene"messo"in"forno"dove"la"cera"si"scioglie"e"il"rivestimento"cuocendo"solidifica;"

Viene" quindi" colata" la" lega" nello" spazio" lasciato" dalla" cera" e" dopo" la" solidificazione" viene" rotto" il" rivestimento" e" si"

estrae" il" pezzo" metallico." Per" migliorare" le" proprietà" di" un" pezzo" ottenuto" per" colata" è" possibile" effettuare" un"

trattamento"di"pressatura"isostatica"a"caldo:"dal"momento"che"la"pressione"è"applicata"con"un"gas"non"avvengono"

processi" di" deformazione" del" pezzo." Il" trattamento" favorisce" il" riarrangiamento" strutturale" della" lega" con"

miglioramento" delle" proprietà" meccaniche." I" processi" di" fusione" e" colata" devono" prevedere" la" diminuzione" del"

volume" del" getto" durante" la" solidificazione" e" il" raffreddamento." I" pezzi" finiti" ottenuti" per" deformazione" a" freddo"

presentano"caratteristiche"meccaniche"molto"superiori"rispetto"a"quelli"dei"getti."Quando"il"grado"di"deformazione"è"

troppo" elevato" per" essere" ottenuto" in" una" sola" passata," si" prevedono" fasi" di" successiva" deformazione" alternati" da"

riscaldamenti" che" riducono" l’incrudimento" della" lega." La" forgiatura" a" caldo" o" a" freddo" consiste" nel" deformare" un"

lingotto"o"una"barra,"ottenuti"per"colata,"mediante"successive"compressioni"in"opportuni"stampi."Un"processo"simile,"

ma"che"permette"di"ottenere"direttamente"il"pezzo"della"forma"voluta,"è"lo"stampaggio"a"caldo"o"a"freddo,"in"cui"le"

successive"compressioni"sono"alternate"a"trattamenti"termici"di"ricottura."I"processi"tecnologici"per"asportazione"di"

truciolo" consentono" di" avere" pezzi" dalla" forma" desiderata" senza" modificare" la" struttura" interna" del" materiale." La"

metallurgia" delle" polveri" è" una" strada" alternativa" per" la" produzione" di" parti" di" forma" complessa:" il" processo" noto"

come"sinterizzazione"utilizza"come"materiali"di"partenza"polveri"della"lega"che"vengono"poste"in"uno"stampo"chiuso"e"

riscaldato."Quando"il"pezzo"ha"assunto"la"sua"forma"definitiva"si"possono"usare"trattamenti"termici"per"adeguare"le"

proprietà" meccaniche" della" lega" alle" esigenze" specifiche." I" principali" trattamenti" termici" sono:" la" ricottura" ad" una"

!

temperatura"compresa"tra" "e"metà"della"temperatura"di"fusione"seguita"da"un"raffreddamento"lento"e"controllato;"

!

La"tempra"che"consiste"in"una"parziale"ricottura"seguita"da"un"rapido"raffreddamento,"che"forza"le"lega"a"diventare"

una"soluzione"soprassatura"di"uno"degli"elementi"del"metallo"base,"quindi,"l’invecchiamento"che"consiste"nel"tenere"

per"lungo"tempo"la"lega"ad"una"temperatura"elevata"ma"inferiore"a"quella"di"ricottura"per"permettere"la"formazione"

di" carburi" e" ossidi" che" aumentano" il" carico" di" snervamento" e" di" rottura" del" materiale" senza" variare" il" modulo" di"

elasticità" dello" stesso." I" principali" processi" di" finitura" superficiale," fondamentali" per" la" biocompatibilità," sono:" la"

carburazione" (reazione" del" carbonio" con" la" superfice" di" acciai)," la" lucidatura," la" sabbiatura" (bombardamento" della"

superficie"con"particelle"estranee),"eccetera."La"corrosione"avviene"quando"gli"atomi"metallici"si"ionizzano"e"vanno"in"

soluzione"o"si"combinano"con"ossigeno"o"altri"elementi"in"soluzione"formando"composti"che"si"distaccano"dal"pezzo"

metallico"o"si"dissolvono."Durante"la"corrosione"inoltre"c’è"un"passaggio"di"corrente"dovuto"al"passaggio"di"elettroni"

nella"reazione"di"ossido"riduzione"che"accompagna"la"corrosione."La"corrosione"è"influenzata"dal"pH"e"dalla"presenza"

di"ossigeno:"all’interno"del"corpo"umano"il"pH"è"variabile,"mentre"l’ossigeno"è"quasi"sempre"presente,"quindi,"escluso"

l’oro" e" il" platino," tutti" i" metalli" sono" soggetti" a" corrosione" all’interno" del" corpo" umano." Tuttavia" se" la" corrosione"

avviene"a"velocità"molto"ridotta"ciò"non"comporta"rischi"né"per"la"struttura"metallica"né"per"i"tessuti"circostanti."La"

corrosione"può"essere"generalizzata,"bimetallica"(quando"due"solidi"con"differenti"potenziali"elettrochimici"sono"posti"

a"contatto"elettrico),"interstiziale"(per"esempio"fra"la"vite"e"la"placca"di"osteosintesi),"per"vaiolatura"(caratterizzata"

dalla" presenza" di" cavità" di" dimensioni" molto" piccole" che" prendono" il" nome" di" ulcere)," intergranulare" (tipica" delle"

leghe" con" tenore" di" cromo" superiore" al" 12%)," intragranulare" (come" quella" bimetallica," ma" con" accoppiamento"

elettrochimico" tra" grani" diversi)," per" sfregamento" o" sotto" sforzo" (quando" sforzi" di" trazione" provocano" cricche"

superficiali" in" presenza" di" sostanze" corrosive" in" genere" poco" dannose)." I" materiali" metallici" per" applicazioni"

biomediche"sono"gli"acciai"inossidabili,"ovvero"leghe"a"base"di"ferro"con"un"basso"contenuto"di"carbonio"ed"un"alto"

contenuto" di" cromo." Possono" essere" di" tipo:" austenitico" (con" tenore" di" carbonio" minore" del" 2%" e" con" presenza" di"

nichel);" ferritico" (con" basso" tenore" di" nichel);" martensitico" (che" contiene" la" fase" solida" detta" martensite" prodotta"

dopo"un"rapido"raffreddamento"di"una"fase"austenitica)."L’acciaio"inossidabile"martensitico,"ad"esempio"la"lega"ISI[

420," è" duro" e" tenace." Risulta" indicato" per" la" fabbricazione" di" strumenti" chirurgici." Gli" acciai" austenitici" hanno" una"

maggiore" resistenza" alla" corrosione" e" sono" indicati" per" produrre" dispositivi" impiantabili" come" protesi" articolari" e"

mezzi" di" osteosintesi." Le" leghe" di" Cobalto" appartengono" a" due" principali" categorie:" le" leghe" cobalto[cromo[

molibdeno" (solitamente" impiegate" per" ottenere" pezzi" per" fusione)," e" le" leghe" cobalto[cromo[nichel[molibdeno"

(utilizzate" per" forgiature" a" caldo)." Il" molibdeno" è" in" genere" aggiunto" per" ridurre" le" dimensioni" dei" grani" e" per"


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alexover

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DETTAGLI
Esame: Biomateriali
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria informatica e biomedica (Politecnico di Milano, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria e Università degli Studi "Magna Graecia" di Catanzaro) (CATANZARO)
SSD:
A.A.: 2014-2015

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher alexover di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biomateriali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Magna Graecia - Unicz o del prof Italia Vincenzo.

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