TRATTAMENTI DI SUPERFICI IN TITANIO E LEGA DI TITANIO

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1 TRATTAMENTI DI SUPERFICI IN TITANIO E LEGA DI TITANIO

2 trattamenti superficiali controllo biochimico osseointegrazione Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 2

3 Trattamenti fisici trattamenti meccanici: troncatura tornitura levigatura (di finiture diverse) con abrasivi sabbiatura deposizione superficiale: deposizione di titanio al plasma (TPS) deposizione di idrossiapatite (HA) Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 3

4 Rugosità R a [μm] R q [μm] R t [μm] S k [] Titanio CP tornito Titanio CP levigato 320 Grit-Paper Titanio CP lucidato 4000 Grit-Paper Valori di rugosità misurati su superfici in Ti CP tornite, levigate e lucidate Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 4

5 Materiale e Tipo di superficie Levigatura R a [μm] R p [μm] R t [μm] R tm [μm] 80 Grit-Paper 0.36 ± ± ± ± 0.05 Nitil laminato a 950 C 600 Grit-Paper 0.16 ± ± ± ± Grit-Paper 0.10 ± ± ± ± Grit-Paper 1.48 ± ± ± ± 0.01 TiMoCr laminato a 850 C 600 Grit-Paper 1.43 ± ± ± ± Grit-Paper 0.30 ± ± ± ± Grit-Paper 0.73 ± ± ± ± 0.05 TiMoCr laminato a 1050 C 600 Grit-Paper 0.44 ± ± ± ± Grit-Paper 0.34 ± ± ± ± 0.02 Valori di rugosità misurati su superfici in Nitil e TiMoCr Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 5

6 Materiale e tipo di superficie R a [μm] R q [μm] R t [μm] R sk [- -] R ku [] D q [ ] l q [μm] Titanio CP tornito 0.39 ± ± ± ± ± ± ± 1.3 Titanio CP sabbiato con rutilo da 25 μm 0.88 ± ± ± ± ± ± ± 1.1 Titanio CP sabbiato con allumina da 75 μm 1.27 ± ± ± ± ± ± ± 0.8 Valori di rugosità misurati su superfici in titanio CP dopo tornitura e sabbiatura con rutilo e allumina Materiale e tipo di superficie S a [μm] S cx [μm] S dr [] Titanio CP tornito 0.96 ± ± ± 0.1 Titanio CP sabbiato con allumina da 25 μm 1.2 ± ± ± 0.1 Titanio CP sabbiato con allumina da 75 μm 1.43 ± ± ± 0.1 Titanio CP sabbiato con allumina da 250 μm 2.20 ± ± ± 0.1 Valori di rugosità misurati su superfici in titanio CP dopo tornitura e sabbiatura Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 6

7 Trattamenti chimici trattamenti chimici: lavaggio con solventi passivazione nitrica riposo a caldo acquaforte acida attacco alcali ossidazione con H 2 O 2 decapaggio acido trattamenti elettrochimici: elettro-erosione erosione a tuffo erosione a filo elettro-lucidatura adizzazione Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 7

8 Materiale e tipo di superficie Titanio CP sabbiato con corindone da mm e decapato Titanio CP sabbiato con corindone da mm Titanio CP sabbiato con corindone da mm ed attaccato con acidi Valori di profondità [mm] Intervallo dei valori significativi di profondità dei difetti superficiali di dischetti in titanio Materiale e tipo di superficie Titanio CP lucidato con allumina in polvere Titanio CP lucidato con allumina in polvere ed attaccato con acidi Titanio CP sabbiato con mm ed attaccato con acidi Incremento della superficie [] ± ± ± Valori della rugosità misurata sulla superficie di dischetti in titanio Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 8

9 Tipo di materiale e di Superficie Titanio CP tornito Titanio CP tornito e adizzato Titanio CP tornito e elettro-lucidato Titanio CP tornito, elettro-lucidato e adizzato Titanio CP tornito, elettro-lucidato e adizzato (aree lisce) Titanio CP tornito, elettro-lucidato e adizzato (aree rugose) R rms [nm] 30.3 ± ± ± ± ± 40.2 A diff [nm] 10.8 ± ± ± ± ± 35.0 Valori di topografia relativi ad impianti in titanio Ti CP diversamente trattati Materiale e tipo di superficie Titanio CP tornito Titanio CP sabbiato con rutilo da μm Titanio CP sabbiato con rutilo da μm e ricoperto con HA R a [μm] 0.31 ± ± ± 0.15 Valori di rugosità di superfici in titanio CP tornite, sabbiate e ricoperte con HA Tipo di materiale e di superficie Titanio CP ricoperto con HA Titanio CP ricoperto mediante TPS Intervallo dimensioni difetti [μm] Valori di rugosità di superfici in titanio CP ricoperte con HA e TPS Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 9

10 attività sperimentale: preparazione di supporti metallici (dischetti in Ti e Ti6Al4V) per saggi di adesione cellulare in vitro

11 applicazione di trattamenti superficiali per indurre specifici comportamenti nelle cellule controllo dell adesione cellulare mediante l utilizzo di fattori biochimici Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 11

12 Attività sperimentale Caratterizzazione delle superfici di impianti commerciali (riferimento) Sperimentazione di trattamenti superficiali Caratterizzazione della superficie dei dischetti di prova Selezione dei trattamenti superficiali Applicazione di metodi biochimici Indagine profilometrica sulle superfici campione Saggi di adesione cellulare Analisi di corrispondenza tra topografia e adesione cellulare Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 12

13 40 X 40X Impianti commerciali 75X 310X 1250X Immagini SEM di impianto commerciale SLA Ø 3.3 mm Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 13

14 Impianti commerciali 40X 75X 310X 1250X Immagini SEM di impianto commerciale SLA Ø 4.1 mm Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 14

15 Impianti commerciali 40X 75X 310X 1250X Immagini SEM di impianto commerciale TiOBlast Ø 3.5 mm Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 15

16 Impianti commerciali 40X 75X 310X 1250X Immagini SEM di impianto commerciale TiOBlast Ø 4.0 mm Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 16

17 Impianti commerciali Profondità dei difetti superficiali Ampiezza dei difetti superficiali Rapporto tra le lunghezze di profilo e di forma Immagini al microscopio ottico (100X) di impianto commerciale SLA Ø 4.1 mm Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 17

18 Impianti commerciali Impianto Profondità [μm] Ampiezza [μm] Rapporto [] SLA - Ø SLA - Ø TiOBlast - Ø TiOBlast - Ø Valori medi dei parametri caratterizzanti i difetti superficiali i difetti superficiali di TiOBlast so molto più piccoli rispetto a quelli di SLA si apprezza differenze anche tra i due impianti SLA Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 18

19 Dischetti di prova tornitura sabbiatura attacco acido rivestimento arricchimento adesione caratterizzazione mediante indagine profilometrica Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 19

20 Trattamenti meccanici levigatura irrugosimento carte abrasive SiC (P220 o P80) lucidatura (si a pasta diamantata da 3 μm) sabbiatura corindone 25 μm per 10 s corindone 350 μm per 5 o 10 s Trattamenti chimici passivazione HNO RT per 60 o 120 min attacco con acidi HCl:H 2 SO RT per 1, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 45, 60 min HCl:H 2 SO 4 RT per 8, 17, 29, 44 min HCl:H 2 SO BP per 1, 3, 6, 7, 15 min Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 20

21 Ti6Al4V Ti6Al4V levigato ed RT levigato ed BP Ti CP Ti CP sabbiato ed RT sabbiato ed BP Immagini al microscopio ottico di dischetti trattati meccanicamente e attaccati con miscele HCl:H 2 SO 4 Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 21

22 Ti6Al4V Ti6Al4V levigato ed RT levigato ed BP Ti CP Ti CP sabbiato ed RT sabbiato ed BP Immagini al microscopio ottico di dischetti trattati meccanicamente e attaccati con miscele HCl:H 2 SO 4 Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 22

23 Dischetti in titanio CP Trattamenti meccanici levigatura sabbiatura Trattamenti chimici passivazione attacco acido Profondità [μm] Ampiezza [μm] Rapporto di forma [] T T2 80 Grit RT 15 min T3 180 Grit T4 180 Grit RT 15 min T5 BP 7 min T6 BP 15 min T7 BP 6 min T8 RT 15 min T9 RT 1 h T10 RT 2 h T11 RT 1 h T12 RT 2 h T T T15 BP 3 min T16 RT 10 min T T18 BP 1 min

24 Dischetti in lega Ti6Al4V Trattamenti meccanici levigatura sabbiatura Trattamenti chimici passivazione attacco acido Profondità [μm] Ampiezza [μm] Rapporto di forma [] A1 220 Grit A2 220 Grit RT 15 min A3 220 Grit RT 1 h A4 220 Grit RT 45 min A5 220 Grit RT 30 min A6 80 Grit A7 80 Grit BP 7 min A8 80 Grit BP 15 min A9 RT 20 min A10 25 μm 10 s RT 20 min A A12 RT 7 min A13 RT 15 min A μm 5 s RT 10 min A μm 5 s A16 80 Grit RT 7 min A17 80 Grit RT 15 min A18 RT 10 min

25 Dischetti in lega Ti6Al4V Trattamenti meccanici levigatura sabbiatura Trattamenti chimici passivazione attacco acido Profondità [μm] Ampiezza [μm] Rapporto di forma [] A Grit RT 20 min A Grit RT 20 min A21 80 Grit RT 8 min A22 80 Grit RT 17 min A μm 5 s RT 1 min A24 RT 10 min A Grit RT 2 h A26 80 Grit RT 2 h A27 RT 2 h A28 80 Grit RT 15 min A29 80 Grit RT 29 min A μm 5 s RT 10 min A Grit RT 1 h A32 80 Grit RT 1 h A33 RT 1 h A Grit RT 1 h A35 80 Grit RT 1 h A36 RT 1 h

26 Dischetti in lega Ti6Al4V Trattamenti meccanici levigatura sabbiatura Trattamenti chimici passivazione attacco acido Profondità [μm] Ampiezza [μm] Rapporto di forma [] A A38 RT 20 min A39 RT 40 min A40 RT 1 h A A Grit RT 2 h A43 80 Grit RT 2 h A44 RT 2 h

27 Distribuzione dei valori di ampiezza per Ti CP Distribuzione dei valori di profondità per Ti CP Superfici dei dischetti di prova Superfici degli impianti commerciali Superficie prescelta Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 27

28 Distribuzione dei valori di ampiezza per Ti6Al4V Distribuzione dei valori di profondità per Ti6Al4V Superfici dei dischetti di prova Superfici degli impianti commerciali Superficie prescelta Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 28

29 il parametro n mostra una distribuzione statisticamente significativa: è n discriminante il parametro mostra una distribuzione statisticamente significativa: è discriminante Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 29

30 Titanio CP Lega Ti6Al4V Rapporto di forma profondità T7 sabbiatura (corindone da 350 μm) attacco HCl:H 2 SO 4 per 6 BP Rapporto di forma profondità A40 sabbiatura (corindone da 350 μm) attacco HCl:H 2 SO 4 per 60 RT Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 30

31 IMPIANTO Adsorbimento IMPIANTO Immobilizzazione covalente IMPIANTO IMPIANTO Rilascio da carrier Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 31

32 Immobilizzazione covalente aspecifica Immobilizzazione covalente specifica Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 32

33 Arricchimento dei substrati metallici con due peptidi di adesione: (GRGDSP) 4 K e HVP lin. Si sperimenta due modalità di arricchimento: adsorbimento fisico i dischetti campione so lasciati a riposo in soluzioni acquose del peptide metodo semplice ma dalle scarse possibilità di controllo sulla concentrazione superficiale rilascio da carrier sui dischetti campione si stende un sottile velo liquido di soluzione del biopolimero in cui è disperso il peptide dopo asciugatura, si forma una pellicola di rivestimento una corretta preparazione permette il controllo della concentrazione superficiale Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 33

34 Carrier polimerici utilizzati polilattidi Poli-(L)-lattide (PLL) da kda in TCM al 5.7 % (g/cc) polisaccaridi preparato AGA-100 (idrogel di alginato) in acqua al 1% (g/cc) Poli-(D, L)-lattide (PDLL) da kda in TCM al 5.8 % (g/cc) Copolimero di Poli-(D, L)-lattide e Poli-glicolide (PLG) da kda in DMK al 20 % (g/cc) La deposizione richiede che: le concentrazioni abbia viscosità e tensione di vapore limitate si depositi sempre la medesima aliquota di soluzione (70 μl) La pratica di rivestimento porta ai seguenti risultati: 4 mg di PLL 4 mg di PDLL 5 mg di PLG 1 mg di idrogel di alginato Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 34

35 Substrato sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi Trattamento adsorbimento fisico adsorbimento fisico adsorbimento fisico adsorbimento fisico adsorbimento fisico adsorbimento fisico rivestimento 5 mg di PLG rivestimento 4 mg di PDLL rivestimento 1 mg di Alg rivestimento 1 mg di Alg rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL Concentrazione superficiale [nmol/cm 2 ] (GRGDSP) 4 K 0.6 (GRGDSP) 4 K 6.0 (GRGDSP) 4 K 60.0 HVP lin. 0.6 HVP lin. 6.0 HVP lin (GRGDSP) 4 K 60.0 (GRGDSP) 4 K 0.6 (GRGDSP) 4 K 6.0 (GRGDSP) 4 K 60.0 HVP lin. 0.6 HVP lin. 6.0 HVP lin

36 Substrato sabbiato corindone 350 mm per 10 s sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi sabbiato e attaccato a caldo con acidi Trattamento rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 4 mg di PLL rivestimento 5 mg di PLG Concentrazione superficiale [nmol/cm 2 ] (GRGDSP) 4 K 0.6 (GRGDSP) 4 K 6.0 (GRGDSP) 4 K 60.0 HVP lin. 0.6 HVP lin. 6.0 HVP lin

37 Caratterizzazione profilometrica Rivestimento 1 mg di idrogel di alginato Rivestimento 4 mg di PDLL Ti SL Alg Ti SL Ti SL PDLL Attacco acido HCl:H 2 SO BP per 9 min Ti SLA Rivestimento 4 mg di PLL Ti SLA PLL 37

38 S a [mm] S q [mm] S z [mm] S ds [cm -2 ] S sk [] S ku [] S Dq [ ] Ti SL E Ti SL PDLL E Ti SL Alg E Ti SLA E Ti SLA PLL E Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 38

39 Caratterizzazione profilometrica Lega SL Attacco acido HCl:H 2 SO RT per 60 min Lega SLA Rivestimento 4 mg di PLL Lega SLA PLL 39

40 S a [mm] S q [mm] S z [mm] S ds [cm -2 ] S sk [] S ku [] S Dq [ ] Lega SL E Lega SLA E Lega SLA PLL E Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 40

41 a b c d Immagini di aree (600x600 mm 2 ) ricostruite al profilometro: superfici SL-Ti2 (a) e SLA-Ti2 (b); superfici SL-Ti5 (c) e SLA-Ti5 (d) Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 41

42 a b 100 m m 25 m m c d 100 m m 25 m m Immagini SEM di superfici SLA-Ti2 (a, b) e SLA-Ti5 (c, d) a diversi ingrandimenti Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 42

43 a b Immagini di aree (600x600 mm 2 ) ricostruite al profilometro: superfici SL-Ti2 (a) e SLA-Ti5 (b) ricoperte con PLLA a b Immagini di aree (600x600 mm 2 ) ricostruite al profilometro: superfici SL-Ti2 ricoperte con PDLA (a) e AGA-100 (b) Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 43

44 le superfici sabbiate n so molto diverse tra di loro gli attacchi chimici induco modificazioni con diversa tendenza i biopolimeri di rivestimento altera la topografia Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 44

45 Titanio Ti CP Lega Ti6Al4V Superficie campione Arricchimento con peptide O.D. [%] Superficie Campione Arricchimento con peptide O.D. [%] Ti SL 100 Lega SL 96 Ti SL Pep (GRGDSP) 4 K Lega SLA 127 Ti SL Pep (GRGDSP) 4 K Lega SLA PLL 18 Ti SL Pep (GRGDSP) 4 K Lega SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SL Pep HVP lin Lega SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SL Pep HVP lin Lega SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SL Pep HVP lin Lega SLA PLL Pep HVP lin Ti SL PLG 34 Lega SLA PLL Pep HVP lin Ti SL PDLL 31 Lega SLA PLL Pep HVP lin Ti SLA 93 Lega SLA PLG 29 Ti SLA PLL 23 Ti SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SLA PLL Pep (GRGDSP) 4 K Ti SLA PLL Pep HVP lin Ti SLA PLL Pep HVP lin Ti SLA PLL Pep HVP lin

46 Disk SL-Ti2 SLA-Ti2 SLA-Ti2 + PLLA SLA-Ti2+ PDLA SLA-Ti2+ AGA-100 SL-Ti5 SLA-Ti5 SLA-Ti5+ PLLA OD [%] Misura della quantità di osteoblasti sulle diverse superifici: il valore relativo al titanio è stato assunto pari al 100% Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 46

47 Mentre le superfici SLA permetto agli osteoblasti di aderire con esiti comparabili, quelle ricoperte sembra ostacolare l adesione: tutte tranne la superficie ricoperta con AGA-100 Questo risultato può essere interpretato sulla base delle caratteristiche morfologiche della superficie: il PLLA e il PDLA so rivestimenti che n richiama la morfologia superficiale originaria, il rivestimento con AGA-100 la richiama Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 47

48 Si conferma pertanto il ruolo delle proprietà della superficie nella promozione dell adesione degli osteoblasti In realtà, i risultati della sperimentazione dimostra che l adesione degli osteoblasti n dipende dalla natura del substrato (p. es., composizione chimica) quanto piuttosto dal tipo di rivestimento utilizzato e dalla topografia superficiale Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 48

49 Analisi delle corrispondenze Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 49

50 Dall analisi delle corrispondenze è possibile asserire che il parametro S ds e i valori della densità ottica (OD) so strettamente correlati, in base alla loro prossimità I parametri S sk e S ku mostra un trend analogo, ma n so correlati ai valori di OD poiché giaccio su posizioni simmetriche rispetto all origine del pia S a, S q e S z so identificati da proiezioni ristrette e spesso sovrapposte: questa evidenza suggerisce che le aree dei campioni esaminati possiedo un buon livello di isotropia Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 50

51 Infine, la proiezione del parametro S Δq indica un correlazione piuttosto buona con i valori di OD, come confermato dalla letterature scientifica, anche se in misura nettamente inferire al parametro S ds Dalla rappresentazione dell analisi delle corrispondenze si può sottolineare il fatto che esiste una relazione tra la rugosità, i livelli di adesione e le caratteristiche superficiali Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 51

52 È evidente che le proiezioni delle superfici SAL e di quella ricoperta con AGA-100 giaccio in prossimità di OD: ciò significa che tutte queste superfici condivido le stesse proprietà favorevoli in termini di promozione dell adesione cellulare. Allo stesso tempo, so tutte caratterizzate da valori elevati di S ds e, anche se in misura inferiore, di S Δq Tutte le altre superfici so localizzate nella parte opposta del pia dal momento che rivela prestazioni decisamente inadeguate per quanto concerne l adesione Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 52

53 Tutte le altre superfici so localizzate nella parte opposta del pia dal momento che rivela prestazioni decisamente inadeguate per quanto concerne l adesione Quindi, l informazione più significativa contenuta nei dati sperimentali è data dalla netta discriminazione tra superfici che favorisco o ostacola l adesione cellulare, come quantificato dai valori di OD strettamente correlati ai parametri di rugosità S ds e S Δq Biomateriali Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica 53