Nozioni, Appunti di Biomateriali

La#scienza#dei#materiali#è#la#scienza#delle#relazioni#che#intercorrono#tra#le#proprietà#di#un#materiale#e#la#sua#struttura#

a# livello# atomico,# elettronico,# molecolare,# cristallino# o# supramolecolare.# Per# supramolecole# intendiamo# entità#

organizzate# di# elevata# complessità# che# derivano# dall’associazione# di# due# o# più# specie# chimiche# tenute# assieme# da#

forze#intermolecolari.#Per#materiale#intendiamo#ogni#sostanza#che#utilizziamo#per#creare#oggetti#necessari#al#nostro#

vivere.#Sono#reperibili#allo#stato#grezzo#da#materie#prime,#ovvero#tutti#quei#materiali#che#servono#per#la#fabbricazione#

di# beni# necessari.# Il# concetto# di# materia# prima# è# legato# a# quello# di# risorsa:# le# risorse# naturali# sono# la# fonte# delle#

materie# prime# che# entrano# poi# come# input# nei# sistemi# economici.# Le# materie# prime# secondarie# sono# i# residui# che#

provengono# da# processi# produttivi# e# che# sono# suscettibili,# eventualmente# previi# idonei# trattamenti,# ad# essere#

utilizzate#come#materie#prime#in#altri#processi.#Accanto#alle#materie#prime#secondarie#si#trovano#le#materie#derivanti#

da#riciclaggio#dei#rifiuti.#Arrivare#ad#una#definizione#formale#di#materia#non#è#facile:#intuitivamente#potremmo#dire#

che# è# ‘’materiale’’# tutto# ciò# che# può# cadere# sotto# la# percezione# diretta# dei# nostri# sensi# esterni.# Tuttavia# le# cose# si#

complicano# quando# si# passa# ad# un’analisi# più# dettagliata# che# coinvolga# fenomeni# come# la# luce,# o# ambiti# di# ricerca#

come# il# mondo# microscopico,# quello# biologico,# o# quello# della# mente# umana.# Nella# storia# si# sono# affermati# due#

approcci#sulla#definizione#di#materia:#uno#quantitativoGrelazionale#(approccio#scientifico),#uno#metafisico#(approccio#

filosofico).# Già# dall’antichità# il# dibattito# è# stato# acceso# e# solo# col# metodo# galileiano,# su# cui# si# fonda# la# scienza#

moderna,# si# è# abbandonato# l’approccio# metafisico# per# riprendere,# rifondare# e# unificare# sia# l’approccio# dei# filosofi#

ionici#(Anassimandro,#Anassimene,#ecc)#che#quello#matematico#dei#pitagorici.#Così#mentre#la#teoria#atomica#forniva#

una# descrizione# della# struttura# della# materia# (sulla# base# della# quale# si# sviluppò# tutta# la# chimica),# la# meccanica#

newtoniana# rappresentava# lo# strumento# per# descriverne# la# dinamica.# Tuttavia# anche# la# fisica# classica# si# trovò# in#

difficoltà#con#la#teoria#della#relatività#di#Einstein#prima,#e#con#l’avvento#della#meccanica#quantistica#dopo.#Per#quanto#

riguarda# il# paradigma# entro# il# quale# si# sviluppa# la# scienza# dei# biomateriali# possiamo# affermare# che# la# materia# è#

qualsiasi#cosa#sia#costituita#da#una#massa#e#definita#in#un#volume.#Le#proprietà#della#materia#si#distinguono#in#fisiche#

(temperatura,# densità,# ecc)# e# chimiche.# Un# semplice# ma# efficace# modello# scientifico# per# le# trasformazioni# della#

materia#è#il#modello#particellare:#in#tale#modello#le#particelle#costituenti#un#corpo#possono#aggregarsi#in#tre#differenti#

modi#o#stati#fisici#della#materia:#solido,#liquido,#aeriforme#(gas#o#vapore).#All’aumentare#della#temperatura#aumenta#il#

movimento# delle# particelle# e# l’energia# cinetica# media# riesce# a# vincere# le# forze# che# le# legano# realizzando# così# il#

passaggio# verso# uno# stato# che# sarà# contraddistinto# da# un# minor# grado# di# aggregazione.# Al# contrario# avviene# al#

diminuire#della#temperatura.#Una#prima#grande#classificazione#dei#materiali#è#la#presenza#di#fasi#distinte:#una#fase#è#

una# porzione# di# materia# fisicamente# distinta# e# che# presenta# proprietà# fisiche# uniformi.# Se# le# fasi# sono# due# o# più# il#

sistema#si#dice#eterogeneo#o#miscuglio.#Se#presenta#una#fase#è#detto#omogeneo#o#soluzione.#Quando#una#sostanza#è#

separabile#in#sostanze#più#semplici#allora#è#detta#composto;#quando#non#è#più#separabile#è#detta#elemento.#A#questo#

punto#si#è#giunti#alla#tavola#periodica#degli#elementi#ideata#dal#chimico#Mendeleev#nel#1969:#inizialmente#presentava#

numerosi#spazi#vuoti,#previsti#per#elementi#che#sarebbero#stati#scoperti#in#futuro,#alcuni#nella#seconda#meta#del#‘900.##

#

Gran%parte%delle%proprietà%dei%materiali%deriva%non%solo%dalla%natura%chimica%degli%elementi%costituenti,%ma%anche%dal%

modo% in% cui% tali% elementi% sono% vincolati.% E% quindi% è% anche% importante% conoscere% lo% stato% di% aggregazione% della%

struttura% di% una% sostanza.% Esistono% tre% principali% stati% di% aggregazione% della% materia:% solido,% liquido% e% gassoso.% Le%

diverse% sostanze% possono% esistere% in% tutti% gli% stati% e% sono% le% variabili% termodinamiche,% pressione% e% temperatura,% a%

determinare% i% passaggi% di% stato.% I% tre% stati% si% differenziano% per% differente% mobilità% degli% atomi% e% delle% molecole%

costituenti:% maggiore% nello% stato% gassoso,% e% minore% in% quello% solido.% La% materia% nello% stato% solido% può% essere%

cristallina,% amorfa% o% parzialmente% cristallina:% lo% stato% solido% cristallino% è% caratterizzato% da% una% sistemazione% degli%

atomi% o% dello% molecole% costituenti% in% reticoli% ordinati% tridimensionalmente% nello% spazio;% è% dunque% una% situazione%

limite% a% cui% tendono% tutti% i% solidi% quando% aumentano% le% condizioni% di% vincolo% (maggiori% forze% di% attrazione%

intermolecolare).% La% maggior% parte% dei% solidi% cristallini% è% policristallina,% cioè% formata% dall’aggregazione% di% un% gran%

numero%di%cristalli%detti%grani.%Le%dimensioni%dei%grani%possono%variare%moltissimo%e%il%loro%orientamento%all’interno%

del%solido%è%solitamente%casuale%garantendo%caratteristiche%isotropiche.%

Modello&Atomico%

Il%modello%atomico%di%Dalton%non%spiegava%l’esistenza%di%carica%elettrica%nella%materia,%apporti%successivi%furono%dati%

da%Thomson%con%la%scoperta%degli%elettroni,%da%Goldstein%con%i%protoni%e%successivamente%vennero%scoperti%anche%i%

Neutroni.%Si%giunse%dunque%al%modello%atomico%planetario%di%Ruthenford,%in%cui%gli%elettroni%ruotavano%attorno%ad%un%

nucleo%contenente%neutroni%e%protoni.%Bohr%riformulò%questo%modello%introducendo%il%concetto%di%stato%stazionario,%

orbite%percorse%da%elettroni%che%mantengono%costante%la%propria%energia.%Sulla%base%di%questo%modello%si%basa%quello%

che% oggi% è% accreditato:% il% modello% a% gusci% nel% quale% gli% elettroni% più% vicini% al% nucleo% risentono% maggiormente% della%

forza% attrattiva% nucleare% e% sono% più% saldamente% ancorati% al% nucleo% stesso;% il% contrario% vale% per% gli% elettroni% più%

!

distanti.%Il%modello%prevede%7%strati%o%gusci%ad%energia%crescente,%ognuno%dei%quali%può%contenere%al%massimo%2! %

elettroni.%I%gusci%saranno%occupati%sempre%a%partire%dal%nucleo%verso%l’esterno,%e%proprio%lo%strato%più%esterno,%detto%

guscio%di%valenza,%è%coinvolto%nella%formazione%dei%legami%chimici.%

Legami&chimici&%

Un% atomo% è% caratterizzato% da% una% particolare% stabilità% quando% possiede% 8% elettroni% nel% guscio% di% valenza% (regola%

dell’ottetto)%perciò%gli%atomi%in%natura%tendono%a%formare%legami%condividendo,%cedendo%o%acquistando%elettroni%di%

valenza% fino% a% raggiungere% la% stabilità% completando% l’ottetto.% Idrogeno% ed% elio% rappresentano% l’unica% eccezione%

(completano% il% guscio% di% valenza% con% 2% elettroni).% La% situazione% di% equilibrio% in% cui% gli% atomi% rimangono% legati% è% un%

processo% spontaneo% che% comporta% una% diminuzione% dell’energia% del% sistema% e% quindi% una% maggiore% stabilità.% Il%

legame%chimico%che%si%forma%tra%atomi%e%ioni,%essendo%caratterizzato%da%elevate%energie%di%legame,%è%detto%primario%o%

forte% (legame% covalente% e% legame% ionico);% il% legame% chimico% tra% le% molecole% è% detto% secondario% o% debole% (legame%

idrogeno,%forze%di%london,%forze%di%van%der%waals).%Nel%legame%covalente%gli%atomi%che%si%legano%condivideranno%gli%

elettroni%di%valenza,%in%quello%ionico%vi%sarà%un%trasferimento%di%elettroni.%Il%tipo%di%legame%che%si%forma%è%determinato%

dall’elettronegatività,%proprietà%che%misura%la%tendenza%di%un%atomo%di%una%molecola%ad%attrarre%su%di%sé%gli%elettroni%

condivisi% in% un% legame.% Nel% legame% covalente,% la% condivisione% degli% elettroni% dipende% dal% fatto% che% la% differenza% di%

elettronegatività% tra% gli% atomi% coinvolti% non% è% troppo% elevata:% gli% atomi% attraggono% simultaneamente% gli% elettroni%

condivisi,% chiamati% elettroni% di% legame.% Il% legame% covalente% è% direzionale% in% quanto% si% sviluppa% nella% direzione% che%

unisce%i%nuclei%dei%due%atomi%ed%è%inoltre%un’interazione%a%breve%raggio.%Quando%la%differenza%di%elettronegatività%è%

maggiore%di%1,9%invece%l’atomo%più%elettronegativo%strappa%uno%o%più%elettroni%di%valenza%all’altro%atomo%diventando%

uno%ione%negativo;%l’altro%atomo%li%perde%diventando%un%catione.%Il%legame%ionico%è%quindi%un%attrazione%elettrostatica%

fra% ioni% di% carica% opposta.% Il% legame% metallico% porta% la% formazione% di% aggregati% cristallini% e% si% basa% sul% fatto% che% i%

metalli%sono%caratterizzati%da%bassa%elettronegatività%ed%hanno%quindi%la%tendenza%a%cedere%gli%elettroni%di%valenza%e%

trasformarsi% in% cationi.% Tali% cationi% si% dispongono% in% maniera% ordinata% nel% reticolo% mentre% gli% elettroni% ceduti% sono%

messi%in%comune%e%formano%un%mare%elettronico%che%si%muove%su%tutto%il%reticolo.%Il%legame%metallico%rappresenta%

l’attrazione% che% ha% origine% tra% i% cationi% metallici% e% la% nube% di% elettroni% di% valenza% in% cui% sono% immersi.% Dal% mare%

elettronico% derivano% le% proprietà% macroscopiche% come% l’elevata% conducibilità% elettrica.% I% legami% secondari% o% deboli%

sono% interazioni% elettrostatiche% tra% molecole% che% determinano% le% proprietà% fisiche% delle% sostanze% come% stato% di%

aggregazione,% temperatura% di% fusione,% di% ebollizione,% eccetera.% Si% classificano% in% legami% a% idrogeno,% forze% dipoloU

dipolo% (Van% der% Vaals),% interazioni% fra% molecole% apolari% (forze% di% london).% Il% legame% a% idrogeno% è% una% forza% di%

attrazione%debole%che%si%esercita%tra%un%atomo%di%idrogeno,%legato%con%legame%covalente%ad%un%atomo%più%piccolo%e%

molto% elettronegativo% (azoto,% ossigeno,% fluoro)% di% una% molecola% e% un% atomo% molto% elettronegativo% di% un’altra,% ad%

esempio%legami%a%idrogeno%si%formano%tra%molecole%d’acqua,%ammoniaca%e%tra%catene%di%biopolimeri.%Le%forze%di%Van%

der% Waals% sono% interazioni% dipoloUdipolo,% esse% possono% originarsi% tra% molecole% polari,% che% sono% dipoli% permanenti,%

oppure,% tra% molecole% polari% e% apolari;% In% quest’ultimo% caso% le% molecole% polari% possono% indurre% la% polarizzazione% di%

quelle%apolari%(dipolo%indotto).%Le%forze%di%van%der%vaals%spiegano%la%capacità%del%geco%di%camminare%su%ogni%tipo%di%

superficie% (ad% eccezione% del% Teflon,% poiché% scarsamente% polarizzabile)% ad% ogni% inclinazione.% Infatti% la% parte% interna%

delle% loro% zampe% è% coperta% di% estroflessioni% che% aumentano% la% superficie% di% contatto% con% il% piano% di% appoggio% e,% di%

conseguenza,%il%numero%di%interazioni%dipoloUdipolo.%Non%è%stato%semplice%giungere%a%tali%considerazioni:%negli%ultimi%

175%anni%sono%stati%proposti%svariati%meccanismi%di%funzionamento%per%le%zampe%del%rettile:%secrezioni%collose,%attrito,%

ventose,%micro%incastri.%Ispirandosi%alle%zampe%del%geco%un%gruppo%di%ricercatori%è%riuscito%a%realizzare%un%robot%che%

ha% la% capacità% di% scalare% le% pareti% più% lisce.% Anche% tra% le% molecole% non% polari% si% possono% formare% interazioni%

elettrostatiche.%Infatti%in%una%molecola%apolare%la%distribuzione%simmetrica%degli%elettroni%può%subire%fluttuazioni%nel%

tempo% dovute% al% movimento% continuo% degli% stessi;% possono% così% crearsi% situazioni% istantanee% in% cui% esistono%

separazioni% di% carica% nella% molecola% che% diventa% un% dipolo% istantaneo.% Le% forze% di% London% sono% proprio% interazioni%

elettrostatiche%tra%il%dipolo%istantaneo%e%il%dipolo%indotto.&

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"