Domande aperte esame Biomateriali

AMBITO BIOMEDICO

Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate in ambito biomedico, in particolare per applicazioni

ortopediche, grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e alla loro elevata biocompatibilità.

Proprietà delle leghe di titanio in ambito ortopedico:

Le leghe di titanio presentano una combinazione di proprietà che le rendono ideali per l’uso in

dispositivi medici, tra cui:

- Elevata resistenza alla corrosione: Il titanio forma spontaneamente uno strato di ossido

(passivazione) superficiale (biossido di titanio) che lo protegge dalla corrosione in ambienti

biologici.

- Buona biocompatibilità: Il titanio puro è più biocompatibile rispetto alle leghe contenenti

alluminio e vanadio, che possono rilasciare ioni metallici tossici. Per questo motivo, nei

pazienti sensibili si preferisce l’uso del titanio di grado 4 anziché della lega di grado 5 (Ti-6Al-

4V).

- Modulo elastico inferiore rispetto ad altri metalli: Il titanio ha un modulo elastico più basso

rispetto all’acciaio o alle leghe di cobalto-cromo, il che consente una migliore trasmissione

delle sollecitazioni all’osso, riducendo il rischio di stress shielding (fenomeno che può portare

al riassorbimento osseo attorno all'impianto).

- Elevata resistenza meccanica: le leghe di titanio possiedono una buona resistenza meccanica

e alla fatica, rendendole adatte a impianti sottoposti a carichi elevati.

- Di=icoltà di lavorazione e costo elevato: il titanio è di=icile da lavorare con macchine utensili e

ha un costo elevato rispetto ad altri materiali metallici.

Applicazioni in ambito biomedico

Le leghe di titanio trovano numerose applicazioni in campo biomedico, tra cui:

1. Chirurgia ortopedica– Utilizzate per protesi articolari (anca, ginocchio, spalla), placche, viti e

chiodi per la fissazione delle fratture.

2. Odontoiatria – Impianti dentali realizzati in titanio, spesso con superfici irruvidite per favorire

l’osteointegrazione.

3. Cardiochirurgia – Utilizzate per la realizzazione di valvole cardiache meccaniche.

4. Strumenti chirurgici– Grazie alla loro leggerezza e resistenza alla corrosione, le leghe di titanio

sono impiegate per strumenti chirurgici avanzati.

Grazie a queste caratteristiche, il titanio e le sue leghe rappresentano una scelta di eccellenza per

numerose applicazioni in campo medico e ortopedico.

CRISTALLI E DISLOCAZIONI

I solidi possono essere cristallini o amorfi. I solidi cristallini sono quelli caratterizzati da una struttura

interna ordinata. Le particelle sono distribuite in configurazioni precise ovvero in reticoli cristallini. Il

reticolo spaziale è dato dal ripetersi in modo ordinato di una cella elementare nelle tre direzioni

spaziali. In base a come è orientata la cella elementare possiamo distinguere il sistema cristallino in

diversi modi. Esistono i 14 sistemi cristallini di Bravais raggruppati secondo 7 sistemi.

Inolte in base a come le particelle sono disposte nel reticolo possiamo avere reticoli:

- Semplici: le particelle si trovano ai vertici di esso

- A facce centrare: particelle oltre che ai vertici si trovano al centro di ogni faccia

- A corpo centrato: oltre che ai vertici ci sono anche particelle al centro di ogni reticolo,

nell’intersezione delle diagonali.

Quando si parla di un solido cristallino possiamo fare la distinzione tra monocristallo e policristallo. Il

monocristallo è il solido ideale per eccellenza perché si forma da un solo grano cristallino e si

accresce ma nella realtà i solidi sono dei policristalli ovvero accresciuti da più grani di più punti di

nucleazione che poi si sono scontrati dando vita ai bordi di grano.

Proprio per il fatto che non è possibile controllare tutte le procedure di accrescimento, in quasi tutti i

materiali di comune impiego ci sono dei difetti, ovvero dei punti, delle linee, delle superfici o dei

volumi in cui viene meno la periodicità di un sistema cristallino.

I difetti possono essere:

- Stechiometrici: varia la composizione del cristallo con elementi estranei

- Non-stechiometrici: non variano la composizione, ma semplicemente gli elementi della

struttura si trovano in posizioni dove non dovrebbero essere

I difetti sono:

- Di punto: un solo sito reticolare

Vacanza

o Impurezza sostituzionale: atomo non appartiene alla struttura

o Impurezza interstiziale: atomo interstiziale, ovvero che appartiene alla struttura ma si

o trova in un punto dove non sono previsti atomi

Difetto di frenkel: difetto composto, vacanza + atomo interstiziale

o Difetto di schkrty: doppia vacanza catione-anione

o

- Di linea: sono le dislocazioni, hanno impatto sulle proprietà meccaniche

A spigolo: atomi non sono nella posizione originale

o A vite: conservata geometria ma non c’è la stessa distribuzione di linea

o

Le dislocazioni, quindi lo scorrimento di piani atomici è dato da sollecitazioni meccaniche durante le

lavorazioni. Per capire quanto lo sforzo abbia deformato il materiale facciamo riferimento al circuito di

Burgers: si disegna il circuito sul cristallo prima della deformazione e poi il circuito sul cristallo dopo,

l’entità della deformazione sarà data dal vettore con cui viene chiuso il circuito dopo. Scopro unità,

piano, direzione di scorrimento.

- Di superficie: più linee del reticolo

- Di volume: coinvolgono più piani reticolari

IDROSSIAPATITE PER RIVESTIRE LE PROTESI

L’idrossiapatite è un materiale bioattivo utilizzato nel rivestimento delle protesi. È il materiale più

utilizzato perché in quanto a formula chimica è molto vicino alla formula del tessuto osseo, per

questo motivo il tessuto osseo lo riconosce come simile e si vanno a legare chimicamente. Di

conseguenza si avrà un’osteointegrazione e l’integrazione vincolata dell’impianto genererà tessuto

vitale per evitale che si formi tessuto fibroso.

L’osteointegrazione è una reazione chimica tra il tessuto osseo e il materiale che riveste le protesi, in

modo da far integrare la protesi col tessuto circostante

FATICA

Fatica è il degrado di resistenza di un materiale esposto a sforzo meccanico. Un corpo esposto a

fatica vuol dire che viene sottoposto a cicli di stress. La fatica è uno dei principali motivi che porta alla

frattura/rottura di un materiale. Questo processo avviene anche nelle nostre ossa che sono spesso

soggette a fatica, però la particolarità del tessuto osseo è che è un tessuto vivo quindi grazie all’azione

degli osteoblasti e gli osteoclasti questo si rigenera riparando quelle microfratture che si possono

creare.

Rispetto alle altre superfici di rottura, la superficie di rottura data da fatica è diversa perché

caratterizzata essenzialmente da due zone: una zona più liscia, dove si può individuare il punto di

inizio della frattura e una zona più rugosa, che si trova dalla parte opposta di dove inizia la frattura ed è

la zona di rottura del materiale. Quindi ci sono essenzialmente tre fasi per una superficie di rottura a

fatica:

- Crack initiation: punto di innesco della frattura, dove si concentra tutto lo stress

- Propagazione del crack: zona liscia, con linee di sabbia, ovvero linee di arresto dove il

materiale ha cercato di opporsi alla rottura

- Rottura del campione: zona rugosa, dove c’è stato il netto cedimento.

I cicli di stress a cui è sottoposto un materiale possono essere:

- Alternati: trazione e compressione sono uguali quindi tensione massima e minima sono uguali

- Pulsatorio: non sono uguali

- Casuali: compressione e trazione si alternano non periodicamente

Si può anche stimare il numero di cicli attraverso cui il materiale arriva a rottura facendo la somma di

cicli di stress precedenti al crack initiation e quelli subito dopo il crack initiation prima della

propagazione del crack.

La rottura a fatica può portare quindi ad una rottura molto prima del limite teorico perché la fatica

diminuisce le prestazioni di un materiale, soprattutto se ci sono difetti o pori, questo tipo di rottura

infatti è “disastrosa”, brusca anche se un materiale è duttile.

La fatica nei dispositivi medici è più di=icile da studiare poiché un dispositivo medico non è mai

sottoposto a cicli di carico puri. Le rotture a fatica possono presentarsi maggiormente in uno stelo

d’anca ma quelle più insidiose sono sul collo o sulla testa femorale. Il cedimento di schianto è

comunque riconosciuto dal paziente perché la protesi non regge più il carico.

Progettare a fatica può essere fatto in due modi:

- Approccio classico: in base al numero di cicli stimati sopportabili prima della rottura, vengono

fatti dei test con dei simulatori a cui si applicano cicli di stress

- Approccio più moderno: si fanno riferimento ai difetti quindi si studia di più la struttura

cristallina. Quindi si mette in relazione i carichi agenti con le resistenze a frattura (meccanica

della frattura)

La meccanica della frattura è spiegata da Gri=ith. Parte dal presupposto che la resistenza meccanica

e=ettiva dei materiali è notevolmente più bassa della resistenza teorica di 100 o addirittura 1000

volte. Secondo Gri=ith questa discrepanza è data dal fatto che non siamo in presenza di solidi ideali e

quindi sono presenti dei difetti in cui si vanno a creare delle sollecitazioni localizzate molto più potenti

dello sforzo a cui un corpo è solito essere sottoposto.

Per capire quanto più è intensificato lo sforzo si calcola proprio il coe=iciente di intensificazione degli

sforzi K=sforzo nominale per radice quadrata di pi greco per l’ampiezza del difetto. Quindi tanto più è

grande il difetto, tanto più è grande lo sforzo tanto più questo sarà intensificato. Un esempio di

applicabilità di questo coe=iciente è la microcricca.

Gioca un ruolo importante anche lo spessore del provino, se siamo sopra un determinato spessore

critico ci troviamo in condizioni di deformazione piana con una tenacità a frattura costante, sotto uno

spesso critico ci troviamo in condizioni di sforzo piano con tenacità che varia.

In caso di deformazione piana vicino all’indice di intensificazione degli sforzi ci sono tre numeri

romani, in base al tipo di deformazione che si ha:

- Opening mode: la deformazione è perpendicolare alla direzione di sforzo

- Sliding mode: c’è uno scorrimento

- Tearing mode: deformazione a strappo

UTILIZZO METALLI

I metalli sono materiali fondamentali in numerosi settori grazie alle loro proprietà fisiche e chimiche.

La loro elevata resistenza meccanica, unita a una buona lavorabilità e a un'ottima conducibilità

termica