Ingegneria biomedica: materiali metallici, ceramici, polimerici, compositi.

Classificazione dei materiali 

Ci sono vari modi per classificare i materiali: 

•  da un punto di vista chimico, in base al tipo di legame chimico: legame ionico -> solidi ionici; legame  covalente -> solidi covalenti;
•  da un punto di vista della struttura: materiali amorfi come i vetri (privi di una struttura ordinata a lungo  raggio) o materiali cristallini, al cui interno sono rinvenibili delle porzioni ordinate di atomi o molecole  disposte secondo un arrangiamento geometrico-spaziale ben preciso (come la maggior parte dei materiali  metallici e molti materiali ceramici); 
•  in base alle proprietà: materiali per l’industria meccanica se sono materiali di tipo altoresistenziale  (robusti, rigidi). Dal punto di vista elettrico si possono distinguere materiali conduttori (metalli) o isolanti (polimeri); 
•  in base all’applicazione: materiali per uso implantologico dentale, materiali per uso aereospaziale,  materiali per le industrie meccaniche, materiali per l’industria biomedica, ecc.

La classificazione tradizionale divide tutti i tipi di materiali in 4 categorie: 

1. Materiali metallici: metalli puri e leghe; 

2. Materiali ceramici 

• Cristallini: idrossiapatite, argilla 

• Amorfi: vetri 

3. Materiali polimerici: tutte le materie plastiche; 

4. Materiali compositi: materiali che abbinano 2 o più materiali appartenenti alle 3 tipologie precedenti.  Sono composti costituiti, ad esempio, da una matrice polimerica (fase maggioritaria) con l’aggiunta di  materiale ceramico (inclusioni). Il loro scopo è quello di “prendere il meglio” dai costituenti e offrire una  sinergica combinazione di proprietà ancora superiore.  

Materiali metallici 

• opachi: la luce non viene trasmessa attraverso il materiale, bensì riflessa (materiali riflettenti); • hanno proprietà meccaniche buone: durezza (resistenza alla penetrazione locale), resistenza a forze di  trazione e compressione, rigidezza. I metalli, anche a risposta a sollecitazioni meccaniche importanti,  riescono a mantenere la loro geometria iniziale con modeste alterazioni: sono altoresistenziali;  • sono materiali duttili, cioè suscettibili alla deformazione plastica prima della rottura (deformazione  plastica = deformazione permanente). Vanno, quindi, incontro ad una deformazione macroscopica,  visibile;  

•   sono buoni conduttori di calore ed elettricità grazie alla presenza di elettroni liberi (vettori del calore e  della carica elettrica) all’interno del reticolo; 

• resistenti agli sbalzi termici; 
• facilmente lavorabili, sia a caldo sia a freddo, alla macchina utensile; 
• tipicamente rinvenibili allo stato cristallino. 

I materiali metallici sono ottenuti per fusione: i materiali grezzi vengono posti in crogiolo, inserito poi in un  forno (>2000°). Il materiale all’interno del crogiolo viene fuso ad alta temperatura; il liquido viene poi colato  in uno stampo per il raffreddamento.

In condizione di colata normale (di velocità di raffreddamento normale), all’interno della massa fusa,  cominciano a formarsi delle piccole porzioni ordinate di atomi, detti germi cristallini o nuclei cristallini. Man  mano che il materiale si raffredda, i nuclei cristallini si accrescono sempre di più e formano i cristalli  presente nel materiale metallico. La crescita di ogni singolo cristallo si blocca nel momento in cui incontra i  cristalli adiacenti. Visto che in un materiale metallico convenzionale esistono moltissimi cristalli, i metalli  vengono tipicamente definiti materiali policristallini. 

Nel caso in cui il metallo venga raffreddato ad una velocità elevatissima (velocità di raffreddamento  dell’ordine di 10.000 kelvin al secondo), gli atomi del materiale fuso non hanno il tempo di organizzarsi e  formare i nuclei cristallini. In condizioni di raffreddamento eccezionalmente spinto, vengono prodotti  materiali metallici allo stato amorfo; questi materiali prendono, quindi, il nome di vetri metallici.  I vetri metallici hanno applicazioni di nicchia: ottenerli è estremamente costoso. Negli ultimi 5 anni si sono  proposte alcune applicazioni dei vetri metallici in ambito biomedico.  

Nel caso di cristalli metallici policristallini, tra un cristallo e l’altro, c’è una sorta di zona di frontiera nei punti in cui i cristalli adiacenti si toccano. Queste zone di frontiera, detti bordi di grano o bordi di cristallo, sono  zone che possono essere sensibili alla corrosione. Nei vetri metallici non ci sono cristalli né bordi di  grano; quindi, almeno idealmente, i vetri metallici non sono corrodibili. Questo è un sensibile vantaggio  in ambiente biologico (i nostri fluidi biologici sono ad alto contenuto salino): inserire corpi metallici  nell’organismo può dare problemi di corrosione, in alcune circostanze. Avere, invece, un vetro metallico non  suscettibile alla corrosione è un grande vantaggio.  

Materiali ceramici 

Protesi d’anca, protesi di ginocchio, protesi di spalla vengono realizzate con superfici articolari ceramiche, almeno quelle di ultima generazione. In particolare vengono realizzate in ossido di alluminio, detto allumina, oppure in composito, ossido di alluminio, ossido di zirconio.  

I materiali ceramici come l’allumina e lo zirconio sono materiali perfettamente biocompatibili: non danno origine a reazioni avverse da parte dell’organismo.  

Sono materiali che si possono coprire di uno stato di fluido. La superficie di questi materiali è altamente idrofilica. Questo è particolarmente  utile perché, una volta impiantati, ricreano il liquido sinoviale dell’articolazione naturale. Non tutti i materiali hanno queste proprietà: ad esempio i materiali  polimerici sono tipicamente idrofobici; quindi non vengono bagnati dai fluidi  biologici. 

I materiali ceramici: 

• hanno una notevole durezza superficiale (resistenza al graffio, alla  penetrazione locale di una punta), molto superiore a quella dei metalli;  
• sono molto resistenti all’usura: vanno bene per superficie articolari poiché l’attrito non determina formazione di detriti, frammenti (possono causare fenomeni infiammatori in sede articolare) e quindi danneggiamento.  

•  sono soggetti a frattura di tipo fragile: si rompono improvvisamente in modo catastrofico,senza alcuna  avvisaglia (es. mattone sovraccaricato resiste fino a che non si rompe frantumandosi). Nel caso di metalli  ci sono avvisaglie (un filo di rame prima di rompersi si piega). Una barretta ceramica, invece, subisce  deformazioni microscopiche per poi rompersi improvvisamente;  
•  sono materiali isolanti termici ed elettrici: non ci sono elettroni liberi all’interno della micro-struttura. I  materiali ceramici possono essere cristallini, amorfi oppure vetro-ceramici. Quest’ultimi sono materiali  ceramici caratterizzati da una matrice vetrosa in cui sono immersi dei cristalli. (nota: gli elettroni liberi  sono un po’ i vettori del calore e della carica elettrica); 

• sono chimicamente inerti: non sono aggredibili da soluzione saline, vanno bene in ambiente biologico.  Non sono aggredibili da acidi e basi. Questi sono i materiali più indicati in termini di biocompatibilità; • sono molto rigidi: vanno incontro a piccole deformazioni prima di giungere a rottura; 

Materiali polimerici 

Un altro componente biologico è la una coppa acetabolare, ovvero il componente della protesi d’anca che va a collocarsi nell’osso del bacino. All’interno è vuota perché ospita la testa femorale. Queste coppe acetabolari sono realizzate in polietilene e  vanno ad accoppiarsi con teste femorali in metallo. Sono molto diffuse, soprattutto sul mercato statunitense. L’ottimo per le superfici articolari sarebbe l’accoppiamento ceramica-ceramica: è così, ma quest’ultimo è molto costoso.  

Sul mercato statunitense una protesi d’anca totale (completa di testa femorale e coppa acetabolare in ceramica) può costare 30.000 dollari, e non è mutuabile (gli USA c’è un sistema sanitario nazionale con molte limitazioni). Un’alternativa meno costosa è l'abbinamento di una testa femorale metallica con una coppa acetabolare in polietilene. Il costo si riduce di più della metà (10.000 dollari). La durata è, però, inferiore.  

I materiali polimerici: 

• leggeri, caratterizzati da densità più basse; 

• sono ottimi isolanti termici ed elettrici: non sono  

presenti elettroni liberi (infatti le guaine dei cavi  

elettrici sono in materiale plastico); 

• sono facilmente lavorabili, hanno elevata deformabilità; 

• non sopportano alte temperature: compatibili all’interno del corpo umano, ma tipicamente i polimeri si  degradano termicamente al di sopra dei 200-300° C;  

• alcuni polimeri sono riciclabili: si chiamano polimeri termoplastici; altri no e possono essere smaltiti solo  in eco centri. 

Materiali compositi 

Sono costituiti dalla combinazione sinergica di 2 o più materiali delle classi precedenti. Sono sistemi  eterogenei costituiti da una matrice (polimerica, ceramica o metallica) in cui si trova dispersa una seconda  fase. Tipicamente la funzione della seconda fase è una funzione rinforzante: compositi a  matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio (le fibre di carbonio sono ceramiche). In questo la  matrice polimerica conferisce leggerezza al materiale, mentre le fibre di carbonio conferiscono rigidità ed  alta resistenza.  

Uno degli scopi di questi materiali è creare sistemi leggeri a basso peso, ma meccanicamente molto  resistenti. 

I composti si possono classificare in base alla matrice: 

• compositi a matrice metallica;  
• compositi a matrice polimerica; 
• compositi a matrice ceramica tra cui anche compositi a matrice vetrosa o vetroceramica. Un materiale composito di interesse è l’osso: questo abbina una componente ceramica (fase minerale: idrossiapatite, un fosfato di calcio) con una componente polimerica (collagene).