Riassunto di Biomateriali

Proprietà dei Materiali

• Meccaniche
• Fisiche
• Chimiche
• Chimico-meccaniche
• Termo-chimiche

Life Cycle Cost

Per la scelta del materiale più conveniente serve calcolare tutti i costi energetici relativi al ciclo di vita del materiale.

• Impronta ambientale
• Distribuzione

• Prezioso e trasformazione delle risorse
• Costruzione e produzione
• Impiego
• Dismissione

Durabilità

Un manufatto si definisce durabile quando è in grado di mantenere per almeno la vita di servizio le pose di progetto le proprietà per cui è stato progettato. Essa dipende da:

• Tassi intrinseci:
• Proprietà chimico-fisico-meccaniche del materiale
• Geometria del materiale
• Tassi estrinseci:
• Esposizione, clima, umidità, composizione dell'ambiente che circonda il manufatto

Azioni dell'Ambiente

• Chimiche (corrosione)
• Fisiche (erosione)

Trasporto nei Materiali Porosi

Nel caso di materiali porosi le sostanze aggressive, allo stato né gassoso né liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindi degradare il materiale non solamente sulla superficie.

I principi meccanismi con cui avviene il trasporto di umore sono:

• Diffusione
• Percolazione
• Assorbimento capillare
• Migrazione elettrica (trasporto di ioni)

Diffusione

Fenomeno spontaneo di trasporto di materia che si verifica quando all'interno di un materiale esistono differenze di concentrazione di uno o più componenti.

• Legge di Fick: J = - D dc/dx
• dc/dx = gradiente di concentrazione
• D = coeff. di diffusione
• J = flusso di materia

Permeazione

Meccanismo con il quale un fluido penetra attraverso i pori del materiale per effetto di un gradiente di pressione.

• Legge di Darcy: dq/dt = K ΔP A / L μ
• dq/dt = flusso
• μ = viscosità del fluido
• A = sezione
• K = coeff. di permeabilità
• ΔP = variazione di pressione
• L = lunghezza del fluido

Assorbimento Capillare

Una soluzione acquosa a contatto con un materiale poroso attivo può entrare in mobilità, data un effetto capillare che si esercita grazie alla interfaccia del liquido con i pori. La pressione capillare Pc spinge l'acqua dentro i pori di raggio r.

• Equazione di Laplace - Washburn: Pc_ap = 2γ cosθ / r = 2γ⁰ cosθ / r
  • θ = angolo di contatto
  • r = raggio dei pori capillari
  • γ = tensione superficiale dell'acqua (7,2 10^-2 N/m)
  • a 25°C

Migrazione Elettrica

A volte nei materiali sono presenti campi elettrici che possono determinare il trasporto delle specie ioniche disciolte nella soluzione presente nei pori.

Classificazione dei Materiali

• Metallici
• Ceramici
• Polimerici
  • Polimerica
  • Metallica
  • Ceramica
• Compositi
  • Matrice
    • Polimerica
    • Metallica
    • Ceramica
  • Rinforzo
    • Particelle
    • Fibre

proprietà meccaniche: descrivono il comportamento di un solido sottoposto all' applicazione di una forza. In tutti i casi l'applicazione di una forza crea uno stato di sollecitazione che causa alla struttura una deformazione (elastica e plastica).

• trazione
• compressione
• taglio
• torsione, urto, flessione sono combinazione delle prime 3

TENSIONE σ = F/A [N/m²]

DEFORMAZIONE ε = ΔL/L [w/w]

• Legge di Hooke: σ = E · ε, dove E = σ/E modulo di young [MPa]
• coeff. di Poisson: prende in considerazione anche il fatto che dopo uno stato di trazione, anche la sezione diminuisce

→ Meccanismi per aumentare la resistenza alla deformazione plastica

• INCRUDIMENTO
• CONTROLLO DELLA DIMENSIONE DEL GRANO
• RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA
• RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE
• TRATTAMENTI TERMICI

Meccanica della frattura (teoria di Griffith) K = σ (πa)^1/2 = G √πa dove σ = tenacità a frattura σ = sforzo applicato a = dimensione del difetto

fracture toughness: parametro quantitativo che descrive la resistenza di un materiale alla frattura fragile quando al suo interno ha già presente una rottura (crack).

K_IC, K_IIC, K_IIIC rappresentano valori di fracture toughness per materiali con spessore maggiore o B (spessore minimo per distinguere K_IC e K_c).

Le differenze tra K_IC, K_IIC, K_IIIC non dipendono dallo spessore del campione ma sono associate a 3 diversi modi di frattura:

• opening mode
• sliding mode
• tearing mode

Caratterizzazione morfologica

• Microscopi a fotoni
• Microscopi a elettroni
• Microscopi a forza atomica

1. Microscopia ottica:
   1. Oculari
   2. Obiettivi
   3. Condensatore (luce a fuoco)
   L’ ingrandimento totale è dato dalla somma tra l’ingrandimento degli oculari e l’ ingrandimento degli obiettivi. Limite teorico della microscopia ottica: λ = 400 ÷ 800 nm (spettro del visibile) ^circa
2. Microscopia elettronica:
   1. SEM
   2. TEM non sfrutta la luce come sorgente di radiazioni, ma un fascio di elettroni. Il limite teorico della microscopia elettronica infatti è λ = 10^-3 nm.
   1. SEM: microscopio elettronico a scansione; il principale segnale utilizzato in questo strumento per la formazione dell’immagine è basato sull’emissione di: - elettroni retrodiffusi (composizione) - elettroni Auger e/o raggi X (composizione) - elettroni secondari (morfologia) 2. TEM: microscopio elettronico a trasmissione; utilizzato come il SEM un fascio di elettroni diretto sul campione. Il TEM tuttavia, fornisce informazioni circa la struttura interna del campione analizzato.
3. Microscopia a forza atomica (AFM): non utilizza l'interazione radiazione-materia ma una sonda che viene spostata sulla superficie del provino. La sonda è piccolissima, facendola scorrere sulla superficie del campione, si deforma. Sono dei profilografi ad altissima risoluzione. Un metodo usatissimo rispetto al laser è il tapping-mode.
4. Stereomicroscopio: ingrandimenti fino a 100x, anche su > oggetti tridimensionali. Distanze maggiori, a discapito del potere risolutivo.