materiale sostanza fisica

INTRODUZIONE

Si definisce materiale una sostanza fisica, generalmente solida, manipolata e/o usata dall uomo per la realizzazione di specifici manufatti, non soggetti a significative trasformazioni durante l uso Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 2

Classificazione dei materiali Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 3

MATERIALI Metallici Non Metallici Polimeri Altri Ferrosi Non ferrosi Organici Inorganici Termo plastici Termo indurenti Elastomeri Ceramiche Vetri Altri Ferro colato Acciai al carbonio Leghe d acciaio Acciai inossidabili Allumino Rame Ottone Bronzo Zinco Magnesio Titanio Argento Stagno Tungsteno Oro Nickel Polipropilene Polietilene Polistirene PVC ABS Polimeri Acrilici Nylon FEP PTFE Polisulfone PEEK PET Resine Fenoliche Resine Melaminiche Resine Epossidiche Resine Alchiliche Resine Dialliliche Gomma naturale Gomme Butiliche Gomme Siliconiche Gomme Uretaniche Neoprene Carbone Legno Fibre Carta Cuoio Allumina Magnesia Berillio Carburi Nitruri Steatite Zirconio Silice Calce sodica Vetri al piombo Mica Cemento Calci 4

Cosa sono i biomateriali? Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 5

Una prima definizione The 6 th Annual International Biomaterial Symposium, 1974 Biomateriale è una sostanza inerte, sia nei confronti dell organismo che dal punto di vista farmacologico, progettata per essere impiantata o incorporata in un sistema vivente Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 6

Un altra definizione Consensus Conference on the Clinical Application of Biomaterials, National Health Institutes, Bethesda, USA, 1984 Biomateriale è ogni sostanza o combinazione di sostanze di origine sintetica o naturale, diversa da un farmaco, che può essere impiegata per qualsiasi periodo di tempo da sola o come parte di un sistema, che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto organo o funzione del corpo Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 7

ancora una definizione Società Europea dei Biomateriali, Chester, UK, 1986 Biomateriale è una sostanza non vivente utilizzata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto un interfaccia con un tessuto vivente Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 8

Una definizione pratica ed attuale... I biomateriali sono i materiali in diretto contatto con i fluidi biologici... ed una funzionale I biomateriali sono speciali materiali che operano in intimo contatto con i tessuti viventi, minimizzando le eventuali reazioni avverse o di rigetto da parte dell organismo Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 9

Un concetto fondamentale: biocompatibilità Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 10

La biocompatibilità di un materiale consiste nella caratteristica di stabilire interazioni non sfavorevoli con i sistemi viventi con i quali viene in contatto La biocompatibilità è un requisito fondamentale, legato alla necessità di migliorare e/o ripristinare una determinata funzione biologica, senza interferire in modo dannoso con le normali attività fisiologiche Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 11

Biocompatibilità: valutazione funzionale valutazione biologica Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 12

A cosa servono i biomateriali? Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 13

Dispositivi ortopedici: protesi di ginocchio, protesi d anca, impianti spinali, sistemi di fissaggio osseo Impianti cardiaci: valvole artificiali, pacemakers Impianti per tessuti molli: protesi mammarie, collagene iniettabile Impianti dentali: sostituzione di denti, radici, tessuto osseo nella cavità orale Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 14

I biomateriali servono anche per Ferri ed attrezzature chirurgiche Costruzione di biomacchine Dispositivi impiantabili per il rilascio controllato di farmaci Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 15

I tessuti biologici come biomateriali L irrompere sulla scena dell ingegneria tessutale rende attuale l utilizzo di tessuti ingegnerizzati come sostituti di pelle, cartilagine, osso, vasi sanguigni ed anche tessuto nervoso Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 16

Biomateriali ed ambiente biologico Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 17

L interazione dei biomateriali con l organismo è a due vie: ogni materiale impiantato provoca una reazione nell organismo allo stesso tempo ogni materiale impiantato subisce l attacco da parte dell organismo Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 18

Nessun materiale è del tutto inerte in ambiente biologico Le risposte dell organismo dipendono dalla natura, dalle caratteristiche e dalla localizzazione del materiale stesso, e dallo stato fisiologico del ricevente Gli eventuali fenomeni di integrazione tra tessuto e materiale innestato sono strettamente correlati alle proprietà superficiali dell impianto Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 19

Classificazione dei biomateriali Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 20

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Materiali biostabili Vengono definiti biostabili i materiali che, una volta impiantati, non subiscono sostanziali trasformazioni chimiche e/o fisiche nel tempo ( presentano alcune affinità con i materiali bioinerti) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 22

Materiali biodegradabili Vengono definiti biodegradabili i materiali che, una volta impiantati, subiscono sostanziali trasformazioni chimiche e/o fisiche che li portano a scomparire nel tempo ( presentano alcune affinità con i materiali bioriassorbibili) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 23

Materiali biotossici I materiali biotossici provocano una avversa da parte del tessuto biologico a causa di processi di tipo chimico e/o galvanico Appartengono a questa classe alcune leghe a base di nichel, cadmio, vanadio e altri elementi tossici, alcuni acciai, carburi e metilmetacrilati Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 24

Materiali bioinerti (1) I materiali bioinerti sono stabili dal punto di vista chimicofisico e presentano interazioni minime con i tessuti circostanti: consentono una buona coesistenza tra organismo e impianto Appartengono a questa classe gli ossidi di tantalio, titanio, alluminio e zirconio, il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 25

Materiali bioinerti (2) L integrazione tra il biomateriale inerte e il tessuto circostante può essere mediata attraverso l uso di particolari colle e cementi; questa fissazione, di tipo morfologico, non permette la formazione di legami diretti tra l impianto e i tessuti La fissazione morfologica non è ideale per la stabilità degli impianti e causa problemi nelle applicazioni in campo ortopedico ed odontoiatrico Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 26

Materiali bioattivi I materiali bioattivi favoriscono le interazioni dirette di tipo biochimico con il tessuto biologico, che può crescere sulla superficie del materiale stesso: ciò permette l instaurarsi di un solido legame dal punto di vista meccanico tra il tessuto naturale e l impianto protesico Tipici esempi di materiali bioattivi sono alcuni materiali ceramici, come l idrossiapatite ed i biovetri Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 27

Materiali bioriassorbibili (1) Questi materiali subiscono una progressiva degradazione all interno del sistema biologico, senza che questo provochi reazioni di rigetto o effetti tossici Appartengono a questa classe i fosfati di calcio come il fosfato tricalcico e l idrossiapatite porosa, alcuni biovetri Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 28

Materiali bioriassorbibili (2) I materiali bioriassorbibili possono essere anche bioattivi (p. es., i copolimeri acido lattico/acido glicolico) e vengono gradualmente rimpiazzati dal tessuto biologico Per queste loro caratteristiche, sono particolarmente utili nel caso in cui la protesi sostitutiva debba occupare uno spazio limitato; vengono anche usati per il rilascio controllato di farmaci Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 29

BIOMATERIALI METALLICI

Legame metallico Ogni atomo mette a disposizione di tutto il cristallo i propri elettroni di valenza che formano una nube elettronica mobile: si genera così un legame non direzionale La nube elettronica mobile è responsabile di alcune caratteristiche peculiari dei metalli (p. es., conducibilità elettrica e termica) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 31

I metalli sono caratterizzati da strutture cristalline molto compatte Ferro reticolo cubico a corpo centrato Oro reticolo cubico a facce centrate Zinco cella esagonale compatta Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 32

Per le loro caratteristiche, i materiali metallici risultano particolarmente adatti alla costruzione di strutture capaci di reggere carichi senza il rischio di grandi deformazioni elastiche e di deformazioni plastiche La duttilità, in particolare, rende i materiali metallici poco fragili; pertanto, nel caso in cui si superi il carico di snervamento, non si arriva generalmente alla rottura, ma alla deformazione plastica della struttura: ciò permette la sostituzione del componente deformato prima che si rompa Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 33

Biocompatibilità La biocompatibilità dei metalli è legata alla loro possibile corrosione in ambiente biologico: i fluidi biologici hanno infatti un elevato potere corrosivo nei confronti dei metalli Durante la corrosione avviene il rilascio di ioni metallici con due possibili conseguenze: la perdita di funzionalità dell impianto, dovuta al peggioramento delle proprietà meccaniche; la contaminazione sia dei tessuti circostanti che dell intero organismo, con ioni metallici spesso tossici, con danno anche grave per la salute del paziente Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 34

Sono materiali metallici per uso biomedico: alcuni acciai inox leghe Co-Cr-Mo leghe Co-Ni-Cr-Mo tantalio (trabecular metal) platino titanio e lega Ti6Al4V nitinolo (leghe Ni-Ti) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 35

BIOMATERIALI POLIMERICI

Sono costituiti da molecole ad elevato peso molecolare, generalmente organiche, dette macromolecole Le macromolecole si originano dal concatenamento mediante legame covalente di un gran numero di piccole unità (monomeri) fino a formare lunghissime catene che possono essere: lineari ramificate reticolate Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 40

Polimero lineare Polimero reticolato Polimero ramificato Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 41

Classificazione dei polimeri Plastiche In base all origine Polimeri sintetici Polimeri naturali Resine Gomme Polisaccaridi Proteine Acidi nucleici In base alla struttura In base al comportamento termico Omopolimeri Copolimeri Polimeri termoplastici Polimeri termoindurenti Casuali o random A segmenti o a blocchi A innesto In base ai meccanismi di polimerizzazione Polimeri di condensazione Polimeri di addizione Addizione radicalica Addizione ionica Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 42

Nei polimeri, la caratteristica che condiziona in maniera maggiore le proprietà allo stato solido è la dimensione delle molecole Infatti, nel processo di passaggio dallo stato liquido a quello solido: la viscosità di un materiale polimerico aumenta le macromolecole, a causa delle loro dimensioni, hanno difficoltà a muoversi e a sistemarsi con una regolarità tale da formare strutture ordinate Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 43

Polimeri amorfi Catene polimeriche con ramificazioni o gruppi laterali disposti irregolarmente non sono in grado di impaccarsi con ordine sufficiente a formare un cristallo Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 44

Polimeri semi-cristallini Assumono strutture nelle quali sono presenti zone cristalline (lamellari), dette cristalliti, inserite in zone amorfe Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 45

Grado di cristallinità di un polimero È definito come la percentuale in peso della sostanza allo stato cristallino rispetto al peso totale Il grado di cristallinità dipende: dalla struttura delle molecole componenti dalla storia meccanica e termica della sostanza Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 46

Biocompatibilità In genere, alcuni materiali polimerici sono considerati abbastanza biocompatibili Tuttavia, alcuni di essi perdono molta della loro resistenza quando vengono impiantati in vivo, con il rischio di rilascio di frammenti (per usura) e di monomero (per degradazione) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 47

Sono materiali polimerici per uso biomedico: poliolefine (polietilene, polipropilene) poliammidi (nylon, Kevlar) poliesteri (PET, PGA, PLA, PHB, PCL) alcuni poliuretani alcuni poliacrilati (PMMA, poli-hema) alcune gomme siliconiche poliacetali, polisulfoni, policarbonati biopolimeri (acido ialuronico) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 48

BIOMATERIALI CERAMICI

Difficoltà nel definire i ceramici Non è facile fornire una definizione univoca dei materiali ceramici, tanto che da alcuni autori sono definiti per esclusione come quei materiali che non sono classificabili né come metallici né come polimerici Sono generalmente composti inorganici refrattari che contengono elementi metallici e non metallici: composizione e proprietà variano entro un largo spettro Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 53

Tipici esempi di materiali ceramici ossidi dei metalli quali allumina (Al2O3), biossido di titanio (TiO2), l ossido di magnesio (MgO) e la silice (SiO2) sali ionici come il cloruro di sodio (NaCl), il cloruro di cesio (CsCl) e il solfuro di zinco (ZnS) idruri carburi come il carburo di titanio (TiC), di silicio (SiC) e di boro (B4C) seleniuri come il seleniuro di rame (Cu2Se) solfuri come il solfuro di zinco (ZnS) biovetri idrossiapatite (HA) e beta-fosfato tricalcico (beta-tcp) Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 54

Forme allotropiche del carbonio Sono materiali ceramici anche il diamante e le altre forme allotropiche del carbonio, come la grafite e il carbonio pirolitico Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 55

Caratteristiche dei materiali ceramici Tra le caratteristiche tipiche più importanti dei materiali ceramici ci sono: durezza fragilità elevata temperatura di fusione bassissima conducibilità termica Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 56

Impiego in odontoiatria In odontoiatria essi sono usati come materiali per la realizzazione di denti artificiali Impiego in otorinolaringoiatria I materiali ceramici sono talvolta impiegati in otorinolaringoiatria, ad esempio nella realizzazione degli ossicini dell'orecchio interno Impiego nel settore cardiovascolare Le applicazioni nel settore cardiovascolare, seppure molto importanti, sono limitate all'utilizzo di carbonio pirolitico Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 57

BIOMATERIALI COMPOSITI

Si definiscono materiali compositi i materiali che, su scala microscopica o macroscopica, contengono due o più componenti o fasi costituenti Il termine compositi è generalmente riservato ai materiali nei quali le fasi sono separate su una scala maggiore di quella atomica e nei quali le proprietà caratteristiche risultano significativamente diverse rispetto a quelle di un materiale omogeneo Secondo questa definizione sono considerati materiali compositi la vetroresina, e le plastiche rinforzate in genere, ed i tessuti biologici; non sono invece considerati materiali compositi l acciaio e le leghe Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 62

La grande importanza e diffusione dei materiali compositi è motivata dal fatto che essi possono fornire prestazioni migliori rispetto a quelle dei materiali omogenei I materiali compositi si differenziano da questi ultimi in quanto offrono la possibilità di esercitare un notevole controllo sulle proprietà macroscopiche e quindi di pilotarle verso le caratteristiche desiderate Anche i tessuti biologici, in quanto formati da cellule e dalla matrice extracellulare, possono essere considerati come materiali compositi: in realtà, è stata proprio la scoperta della struttura dei tessuti biologici a suggerire la fabbricazione dei compositi Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 63

Applicazioni biomediche di compositi polimerici I materiali compositi polimerici offrono una serie di vantaggi rispetto ai materiali omogenei; tuttavia, quando li si voglia utilizzare come biomateriali, è necessario che ogni componente del composito sia biocompatibile e che l interfaccia tra i diversi costituenti non costituisca un punto particolarmente debole rispetto all attacco da parte dei fluidi biologici con i quali viene a contatto Biomateriali e Tessuti Biologici Laurea Magistrale in Bioingegneria e Ingegneria Clinica 64

Impianti dentali Fili dentali ortodontici Ponti dentali Materiali riempitivi Materiali sostitutivi Materiali sostitutivi dell osso Protesi vascolari Gabbie, piastre, viti, dischi, barre spinali Protesi della parete addominale Articolazioni delle dita Chiodi intramidollari Sostituzione totale dell anca Tendini Legamenti Cemento osseo Sostitutivi della cartilagine Viti ossee Piastre ossee Sostitutivi totali del ginocchio Fissatori esterni 65