Materiali Avanzati I parte. Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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Livia Quarta
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1 Materiali Avanzati I parte Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

2 UN PO DI STORIA Lo sviluppo della civilizzazione è stato fortemente influenzato dalla capacità di modificare e produrre sostanze, materiali e tecnologie. L ETÀ DELLA PIETRA Fino a circa diecimila anni fa, tutti gli oggetti si costruivano con pietra, legno, ossa e pelli. È nel Neolitico ( a. C.) che si sviluppano nuovi materiali, come le ceramiche e le fibre tessili. LE ETÀ DEI METALLI La lavorazione dei metalli, il rame (circa a.c.), poi il bronzo (circa XI secolo a.c.) e infine il ferro (XI-V secolo a.c.) segna un evoluzione tecnologica di enorme importanza per l umanità.

3 UN PO DI STORIA È alla fine del XVIII secolo che lo studio dei materiali subisce una trasformazione rivoluzionaria. Con la nascita della scienza moderna le tecnologie e i bisogni produttivi determinano la ricerca e lo sviluppo di materiali caratterizzati da proprietà fisiche e chimiche adatte a uno scopo. L ETÀ DELL ACCIAIO Nel XIX secolo l invenzione del convertitore Bessemer rivoluziona l industria metallurgica e si comincia a fabbricare in grandi quantità l acciaio, lega di ferro e carbonio. L ETÀ DELLA PLASTICA E DEI NUOVI MATERIALI AVANZATI Nel XX secolo inizia la produzione delle materie plastiche e lo sviluppo di nuove leghe metalliche. Negli ultimi decenni la ricerca si è indirizzata su nuove classi di materiali alcuni con analogie al mondo naturale, come i materiali compositi e i biomateriali, ed altri come gli smart materials e i nanomateriali.

4 I MATERIALI COMPOSITI Sono il risultato di una combinazione di almeno due materiali tra loro chimicamente differenti con un interfaccia di separazione. Ciascun costituente mantiene la propria identità e caratteristica nel composto finale senza fondersi completamente nell altro. Tra i componenti esistono zone di contiguità che possono essere semplicemente le superfici di contatto o delle interfasi costituite da una fase separata aggiuntiva. I costituenti essenziali di un materiale composito sono la matrice e il materiale di rinforzo.

5 ESEMPI DI MATERIALI COMPOSITI Naturali: Legno (fibra di cellulosa in una matrice legnosa ) Ossa dei vertebrati (costituite da collagene e apatite) Artificiali: mattoni già realizzati nell antico Egitto mescolando paglia con argilla calcestruzzo armato inventato da J. Monier nel 1877, costituito da cemento e ghiaia combinato con barre in acciaio

6 COME È FATTO UN MATERIALI COMPOSITO Matrice è il costituente continuo che inglobando il rinforzo ha il compito di: mantenerlo nell orientazione desiderata trasferire uniformemente su di esso le sollecitazioni provenienti dall esterno proteggerlo dai fattori ambientali Le matrici più comuni sono di natura polimerica (resine epossidiche, viniliche, fenoliche e poliestere), metallica o ceramica. Rinforzo è il costituente discontinuo che migliora le caratteristiche della matrice: sopporta principalmente il carico agisce come barriera alla propagazione delle fratture all interno della matrice impartisce rigidezza al composito Si presenta generalmente sotto forma di fibre (allineate lungo una certa direzione, distribuite casualmente o ordinate su due o tre direzioni) o sotto forma di particelle

7 RUOLO DELLA MATRICE In un fascio di fibre sottoposto a trazione, la rottura di una di esse comporta un trasferimento dello sforzo alle altre fibre rimanenti che determina una riduzione globale della resistenza del fascio. Se le fibre sono inserite in una matrice, quando una fibra si rompe la deformazione elastica o lo scorrimento della matrice esercitano forze che gradualmente ripartiscono lo sforzo anche sulla fibra fratturata. La fibra continua a fornire un rinforzo al materiale composito, diminuendo a sollecitazione sulle fibre ancora intatte

8 MATRICI E RINFORZI I materiali che costituiscono le matrice dei compositi possono essere: Polimerici (resine epossidiche, viniliche, fenoliche e poliestere) Metallici (alluminio, magnesio, rame o titanio, leghe di questi metalli) Ceramici (carburo di silicio, nitruro di silicio, ossido di alluminio o mullite) I materiali di rinforzo possono essere: fibre di vetro, carbonio, boro o aramidiche (Kevlar) Fibre di carbonio al microscopio elettronico

9 UTILIZZAZIONE DEI COMPOSITI Esempi di utilizzazione dei materiali compositi in aeronautica (Airbus A-380)

10 I BIOMATERIALI I biomateriali sono materiali non viventi designati per interagire con i sistemi biologici. Questi materiali sono biocompatibili e quando sono posti all interno di un sistema vivente, sono in grado di svolgere, aumentare o sostituire una funzione naturale. Essi si possono suddividere in tre categorie principali: quelli che sono chimicamente e biologicamente inerti e non producono risposte dai tessuti o altre sostanze biologiche con cui vengono a contatto quelli che svolgono un ruolo attivo nel corpo legandosi o interagendo con i tessuti o altri materiali biologi quelli che sono degradabili o che sono assorbiti in un certo tempo

11 UN PÒ DI STORIA DEI BIOMATERIALI Fin dall antichità sono stati utilizzati impianti dentali di materiali diversi o semplici strumenti prostetici di metallo o legno All inizio del XX secolo A. Carrel è uno dei primi scienziati a tentare la sostituzione di tessuti e organi interni con materiali sintetici Nel 1949 l oftalmologo H. Ridley utilizza il polimetilmetacrilato (PMMMA) per costruire lenti intraoculari nella cura della cataratta Antica protesi egizia risalente a 3000 anni fa

12 LA RICERCA MODERNA DEI BIOMATERIALI Oggi la ricerca dei biomateriali si indirizza principalmente verso: l ingegneria dei tessuti lo sviluppo di componenti inseriti nel corpo umano in sostituzione di parti danneggiate nella creazione di sostituenti del sangue nella realizzazione di materiali per il trasporto di composti chimici direttamente nel sito di trattamento della malattia (drug delivery agent)

13 ESEMPI DI BIOMATERIALI E LORO PRINCIPALI APPLICAZIONI pelle - cartilagine sistemi drug delivery POLIMERI impianti oculari viti ortopediche protesi ossee METALLI BIOMATERIALI SINTETICI CERAMICHE valvole cardiache impianti dentali impianti dentali microelettrodi impiantabili MATERIALI SEMICONDUTTORI biosensori

14 INGEGNERIA DEI TESSUTI L ingegneria dei tessuti ha lo scopo di riparare i tessuti e gli organi danneggiati da malattie, traumi o semplice invecchiamento e quindi di ripristinare quelle funzioni perse degli organismi viventi. Essa si basa sull uso di scaffold. Lo scaffold è una struttura di biomateriale, con forma e architettura specifiche che fornisce il supporto 2D o 3D in grado di ospitare e promuovere l'accrescimento e il differenziamento di cellule staminali o progenitori cellulari

15 CARATTERISTICHE DEGLI SCAFFOLD Gli scaffold sono caratterizzati da una rete di pori interconnessi in cui le cellule impiantate interagiscono direttamente formando un nuovo tessuto. I biomateriali che costituiscono gli scaffold devono rispondere ad importanti requisiti: avere le caratteristiche meccaniche del tessuto che si vuole rigenerare essere biocompatibili e citocompatibili essere in grado di promuovere la rigenerazione dei tessuti poter essere riassorbiti e quindi sostituiti dai nuovi tessuti deve essere fornito di una struttura superficiale adeguata a permettere l adesione cellulare

16 ESEMPI DI BIOMATERIALI PER SCAFFOLD Gli scaffold presentano varie forme: fibre, impianti porosi con pori chiusi o aperti, membrane. Sono generalmente formati da: polimeri poliesteri come l acido poliglicolico (PGA), l acido polilattico (PLA) materiali inorganici riassorbibili come l idrossiapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) polimeri di origine naturale quali collagene o acido ialuronico. Bioceramica a base di idrossiapatite utilizzata per la ricostruzione ossea Immagine al microscopio elettronico di un scaffold polimerico

17 FINE

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