Biomateriali metallici

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1 Biomateriali metallici acciai inossidabili austenitici titanio e leghe a base titanio leghe a base cobalto altri metalli e leghe leghe nichel-titanio amalgami leghe di magnesio leghe di tantalio oro e leghe d'oro metalli e leghe del gruppo del Pt (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru ed Os)

2 Applicazioni

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4 Leghe Combinazione di atomi, ioni o molecole a formare un materiale le cui proprietà differiscono da quelle dei costituenti (o componenti). Leghe metalliche Si definisce lega metallica una miscela solida mono o polifasica composta da 2 o più elementi di cui almeno uno, l elemento principale, è un metallo. Si distingue tra leghe monofacisiche e leghe bifasiche. Esempi: Acciai (leghe Fe-C con tra 0.06% e 2.06 %C), Ghise (leghe Fe-C con tra 2.06% e 6.67 %C), Bronzo (leghe Cu-Sn), Ottone (leghe Cu-Zn).

5 Difetti in materiali metallici

6 Struttura di leghe metalliche

7 Classificazioni di leghe metalliche

8 Tipologie di acciai

9 Polimorfismo o allotropia

10 Forme allotropiche del ferro

11 Diagramma Fe-C

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15 Acciai inossidabili austenitici Gli acciai inossidabili, pur rappresentando solo il 2 % della produzione totale di acciaio, costituiscono per la loro particolare resistenza alla corrosione una della classi di acciaio di maggiore interesse tecnologico. Gli acciai inossidabili austenitici sono essenzialmente leghe ferro-carbonio-cromonichel caratterizzate da un ottima resistenza alla corrosione garantita dalla presenza di un tenore minimo di cromo del 12% per effetto della formazione sulla superficie delmetallo di uno stratosottile (film) diossido dicromo. Gli acciai inossidabili, tra tutti i materiali metallici, sono attualmente quelli maggiormente impiegati in campo biomedico sia per il costo contenuto che per le facilità di lavorazione.

16 Applicazioni AISI 316 L Dispositivi temporanei di osteosintesi Stabilizzatore esterno modulare (SEM) Dispositivi temporanei di osteosintesi Chiodo omerale

17 Gli acciai inox contengono elementi volutamente aggiunti durante il processo di fabbricazione per migliorarne la qualità e che sarebbe inutile rimuovere. Manganese e Silicio sono aggiunti durante la fabbricazione per le loro proprietà deossigenanti e desolforanti. Il Mn annulla o riduce gli effetti negativi dello S, formando il solfuro che viene poi eliminato nel corso del processo di produzione. Il Mn in eccesso forma il carburo misto (Fe, Mn) 3 C. Il Si in eccesso a quello che forma l ossido (SiO 2 ), anche esso eliminato in fase di produzione, si ritrova in soluzione solida, migliorando le caratteristiche resistenziali senza peggiorare eccessivamente la duttilità. elementi sempre presenti come impurezze e non eliminabili (Zolfo, Posforo) Impurezze provenienti dai minerali usati nella produzione dell acciaio e quindi sempre presenti nel prodotto finale. inclusioni interstiziali non metalliche (Idrogeno, Azoto) La presenza di questi elementi causano un drastico decadimento della duttilità. elementi volutamente aggiunti per migliorare alcune proprietà : elementi che ampliano il campo di esistenza della soluzione solida γ: Ni, Mn, Co, Ru, Rh, Pd, As, Ir, Pt (a campo aperto) e C, N, Cu, Zn, Au (a campo chiuso) elementi che restringono il campo di esistenza della soluzione solida γ: Cr, Mo, W, Al, Si, P, Ti, V, Be, Sn, Sb, S, B, Ta, Zr, Nb, Ce, O In particolare, nel caso di acciai Fe-Cr-Ni, la presenza in lega di Cr tende a stabilizzare la fase ferritica, le cui proprietà meccaniche sono inferiori a quella austenitica. Per contrastare questo effetto si aggiunge in lega anche Ni in grado di stabilizzare la fase austenitica.

18 Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

19 Diagramma Fe-Cr

20 Diagramma Fe-Cr-0.6%C

21 Diagramma Fe-Ni

22 Le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione di un materiale metallico dipendono da: Composizione Tecnologia di lavorazione Trattamento termico

23 Trattamento termico Insieme di operazioni che consiste in: riscaldamento ad una temperatura opportuna; mantenimento a temperatura per il tempo necessario affinche avvengano le trasformazioni desiderate; raffreddamento con velocità e modalità diverse in relazione al tipo di trattamento. Obiettivo: modificare la microstrutura e le proprietà di resistenza alla corrosione

24 Principali trattamenti termici Ricottura (annealing) Tempra Rinvenimento

25 Effetti della ricottura sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche di un metallo deformato a freddo

26 Tecnologie di formatura e lavorazione di materiali metallici Fonderia Laminazione Lavorazione plastica Estrusione Forgiatura Trafilatura Metallurgia delle polveri

27 Laminazione

28 Proprietà meccaniche Prove meccaniche prova di trazione prova di compressione prova di piegamento prova di durezza prova di fatica prova di creep

29 Indurimento di materiali metallci

30 Modulo di Young (E)

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32 Carico di snervamento, resistenza a trazione, allungamento % a rottura

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35 Leghe di Cobalto ASTM F75 La caratteristica saliente di questa lega è la resistenza alla corrosione in ambiente clorurato che dipende dalla composizione del bulk e dall ossido superficiale. Le proprietà meccaniche di questo materiale dipendono strettamente dal processo di fabbricazione. Poiché questo materiale indurisce molto rapidamente, il materiale è prodotto in fonderia mediante la tecnica di fusione a cera persa. Mediante metallurgia delle polveri (PM, powder metallurgy) utilizzando la pressatura isostatica a caldo (HIP, hot isostatic pressing) si ottengono leghe con proprietà meccaniche nettamente superiori.

36 Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

37 Polimorfismo o allotropia

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40 Fusionea cerapersa

41 Metallurgiadellepolveri

42 ASTM F799 Getto di lega forgiata a 800 C. Come risulta dalla Tabella le proprietà meccaniche incrementano notevolmente rispetto alla F75. ASTM F90 Leghe di Co contenenti anche W e Ni. La presenza in lega di questi elementi consente di migliorare la lavorabilità del materiale. Allo stato ricotto le proprietà meccaniche sono confrontabili a quelle di F75, il materiale incrudito al 44% presenta proprietà meccaniche nettamente migliori. ASTM F562 (MP35N) Lega costituita principalmente da Co e Ni con quantità significative di Cr e Mo. L acronimo MP si riferisce alla presenza di fasi multiple (multiple phases). La combinazione lavorazione a freddo ed opportuni trattamenti termici produce una microstruttura multifasica costituita di grani CFC in cui sono disperse sottili lamelle EC tra le quali è presente Co 3 Mo come precipitato. La famiglia delle leghe MP35N è tra le più resistenti disponibili per la realizzazione di impianti biomedicali. Lega forgiabile a caldo...

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44 Applicazioni

45 Titanio Il Ti (numero atomico 22, densità 4.51 g/cm 3, p.f C) è un elemento allotropico, può cioè esistere in più forme cristalline. La fase stabile a temperatura ambiente ha struttura esagonale compatta (EC), ed è anche detta fase α. Al di sopra di 883 C si trasforma nella struttura cubica a corpo centrato (CCC), detta fase β. Il Ti è un metallo molto reattivo, quindi si ossida se esposto a specie contenenti ossigeno. La resistenza alla corrosione del Ti deriva dalla formazione di uno strato solido ossidico di spessore di 5-20 nm. Il film superficiale, costituito principalmente da biossido di titanio (TiO 2 ), essendo compatto, duro, aderente, protettivo e chimicamente molto stabile assicura una eccellente resistenza alla corrosione. La combinazione di attributi ottimali di resistenza alla corrosione in ambiente fisiologico, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche, le applicazioni di successo di Ti e leghe di Ti in impianti biomedici è indiscutibile. Il limite alla diffusione di leghe di titanio è rappresentato dall alto costo dei pezzi finiti, almeno un ordine di grandezza superiore a quello dell acciaio inossidabile.

46 Polimorfismo o allotropia

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48 Leghedititanio Le leghe di titanio si suddividono quindi in leghe α, leghe α β e leghe β in relazione al tenore relativo degli elementi di lega α-geni o β-geni. Al, O, ed N stabilizzano la fase α, Nb, Mo, Ta, Cr, Fe e V stabilizzano la fase β. Scegliendo composizioni opportune si ottengono leghe bifasiche α β. Leghe di titanio α ISO Ti-CP. (ASTM F 76) Esistono 4 gradi approvati per applicazioni biomedicali, in base principalmente al diverso contenuto di ossigeno. Leghe di titanio α β ISO Ti6Al4V (ASTM F136) Leghe di titanio α β non contenenti vanadio ISO Ti5Al2.5Fe ISO Ti6Al7Nb Leghe di titanio β ISO..Ti12Mo6Zr2Fe ISO..Ti15Mo5Zr3Al ISO..Ti13Nb13Zr ISO..Ti30Nb ISO..Ti30Ta

49 Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche

50 Ti CP (lega α)

51 DiagrammabinarioTi/Al

52 DiagrammabinarioTi/V

53 Ti6Al4V (lega α-β)

54 Ti6Al7Nb (lega α-β)

55 Durezza

56 Leghe β

57 TMZF (Ti-12Mo-6Zr-2Fe):stelo femorale (Hipstar, Stryker) Ti-15 Mo: chirurgia spinale, osteosintesi, applicazioni cardiovascolari

58 Forme e specifiche mediche sono riportate in dettaglio in una serie di specifiche nazionali ed internazionali, che includono gli esempi ASTM e BS7252/ISO 5832: ASTM BS/ISO Indicazione della lega/leghe F67 Part 2 Titanio non in lega - CP Grades 1-4 (ASTM F1341 specifica il filo metallico) F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI lavorata plasticamente F1472 Part 3 Ti-6Al-4V grado standard (SG) lavorata plasticamente (ASTM F620 specifica forgiatura ELI) (F1108 specifica la fusione SG) F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb lavorata plasticamente - Part 10 Ti-5Al-2.5Fe lavorata plasticamente F CP andti6al-4v SG polveri per rivestimento di impianti F Ti-13Nb-13Zr lavorata plasticamente F Ti-12Mo-6Zr-2Fe lavorata plasticamente

59 Applicazioni (dispositivi permanenti di osteosintesi, steli femorali) Ti e leghe di titanio sono anche ampiamente utilizzate per: stent intravascolari valvole cardiache meccaniche involucri di pace-maker

60 Stent intravascolare Archetti di Titanio CP Placca femorale, chiodo intramidollare (Ti6Al4V) Valvola cardiaca meccanica Stelo femorale retto da cementare (Ti6Al4V) Cranioplastica (Ti CP)

61 Proprietà di alcune leghe metalliche per applicazioni ortopediche

62 Materiali metallici standardizzati ISO Tipo Sigla ISO Composizione chimica (%) R (MPa) Rs (MPa) Acciai inossidabili AISI 316L D Fe=resto, Cr=17-19, Ni=13-15, Mo=2,25-3,5, N<0, AISI 317L E Fe=resto, Cr=17-19, Ni=14-16, Mo=2,35-4,2, N=0,1-0, alto N Fe=resto, Cr=19,5-22, Ni=9-11, Mo=2-3, Mn=2-4,25, N=0,25-0, n.d. Leghe di cobalto per getti Co=resto, Cr=26,5-30, Mo=4,5-7, Ni<2, semilavorate Co=resto, Cr=19-21, W=14-16, Ni= Co=resto, Ni=33-37, Cr=19-21, Mo=9-10, Co=39-42, Cr=18,5-21,5, Ni=15-18, Mo=6,5-7,5, Fe=resto Co=resto, Ni=15-25, Cr=18-22, Mo=3-4, W=3-4, Fe= Co=resto, Cr=26-30, Mo=5-7, Ni< Titanio e leghe di titanio titanio puro G1 Ti=resto, O<0, G2 Ti=resto, O<0, G3 Ti=resto, O<0, G4 Ti=resto, O<0, Ti6Al4V Ti=resto, Al=5,5-6,75, V=3,5-4, Ti5Al2,5Fe Ti=resto, Al=4,5-5,5, Fe=2, Ti7Al8Nb Ti=resto, Al=5,5-6,75, Nb=6,5-7,

63 Modulo di Young

64 Resistenza specifica