TITANIO

Il titanio ha come numero atomico, nella tavola periodica, 22 è un elemento appartenente al quarto  gruppo ed è il nono elemento più abbondante nella crosta con 4.400 ppm

Allotropia titanio: 

Il titanio puro a temperatura ambiente si cristallizza in una struttura esagonale compatta fino ad una  temperatura di 882°C. Questo tipo di titanio è detto titanio alfa. 

Il titanio puro è anche detto titanio non legato, proprio perché non presenta alcun elemento in lega. È predominante la fase alfa che cristallizza in struttura esagonale compatta. Ciò si verifica a temperatura   ambiente in quanto al di sotto degli 882°C. 

Questa struttura cristallina esagonale compatta del titanio, dove i pallini rosa in figura sono gli atomi, presenta ai vertici  atomi di titanio che si dispongono in questo modo quando la struttura  cristallizza. 

Rispetto ad altri materiali, che cristallizzano con lo stesso tipo di struttura, il titanio, a livello dei piani basali  presenta una maggiore vicinanza. Questo vuol dire che si ha una sorta di compenetrazione tra questi piani  basali che ostacola lo slittamento. In pratica gli atomi sono più vicini, si fanno da ostacolo gli uni con gli  altri e i piani scorrono in maniera più difficoltosa. Alla fine lo slittamento dei piani avviene sulle  facce del prisma e non sulle basi esagonali: ciò vuole dire che il carico di snervamento del titanio puro è  piuttosto alto (600MPa).  

Questo procedimento avviene con temperature al di sotto degli 882°C. 

Salendo al di sopra 882°C il titanio cambia di struttura cristallina: da esagonale compatta a cubica a corpo centrato (titanio beta). 

Si definisce come temperatura di Beta-TRANSUS la temperatura più bassa per cui si ha la presenza della sola fase beta. Per il titanio puro questa temperatura è 882°C. Ciò significa che se si scalda un pezzo di titanio, che a   temperatura ambiente è completamente sotto forma di titanio alfa, quindi con struttura cristallina   esagonale compatta, ad una temperatura alta che supera 882°C, cambia la struttura cristallina e si avrà quindi   sempre del titanio puro ma non sarà più titanio alfa ma titanio beta. 

Ciò accade perché la disposizione cristallografica degli atomi cambia.

Diagramma di stato: 

Un diagramma di stato è un grafico nel quale vengono descritte quante e quali fasi di un sistema sono presenti  al variare di pressione/temperatura del sistema stesso. 

I diagrammi di cui si parla in questo caso sono a P=costante e sono validi in condizioni di equilibrio, quindi  per trasformazioni molto lente. 

Questi diagrammi di stato servono per: 

1. Capire, al variare della temperatura e della composizione, quali fasi sono presenti (ad esempio capire  quando il titanio passa da alfa a beta) 

2. Capire quanto, se dovessero esserci più fasi contemporaneamente, qual è la quantità e la curva delle  diverse fasi 

3. Capire la solubilità di un componente rispetto ad un altro o in un altro 

4. Capire se si forma una soluzione solida o se si formano due fasi che invece sono diffuse e non miscibili  tra loro 

5. Capire la temperatura di fusione di queste fasi  

6. Determinare le temperature a cui il materiale cambia di fase. 

Nell’immagine è mostrato un esempio di diagramma di stato. In questo diagramma si hanno due assi verticali  che indicano la temperatura. Nella parte inferiore sono indicati l’elemento puro A e l’elemento puro B. In  mezzo ci sono dei composti intermedi che hanno una certa percentuale di A e una certa percentuale di B.  Variando la temperatura variano le fasi del materiale, ad esempio se si prende A puro esso si innalza fin quando  la temperatura di fusione di A porta A stesso a fusione.

Se si mette un po’ di B in A allora si formerà una soluzione solida alfa che ad un certo punto, salendo di temperatura, passerà attraverso una zona dove esistono sia una fase solida che una fase liquida e poi si arriverà a fusione. 

Nella zona in mezzo si avrà una lacuna di miscibilità dove si hanno due soluzioni solide che si mescolano  meccanicamente, quindi il materiale ha due fasi, una alfa e una beta. 

Più ci si sposta verso B e più ci si sposta in una soluzione solida ricca in B che è alfa + beta. Si arriverà nel  grafico a livello della porzione più di destra dove si ha B puro.   

Si considera un diagramma reale (es. diagramma piombo-stagno), di una certa lega con una determinata  composizione, che ha almeno il 40% in peso di stagno. Se si parte dall’alto la lega in quel punto è liquida e  man mano che si scende di temperatura, quando si entra nella zona in cui si ha una soluzione solida con un  liquido, vuol dire che quando ci si muove in questo range di temperatura, si avranno dei cristalli che crescono  man mano che si scende di temperatura. Al di sotto della linea orizzontale il materiale solidifica  completamente e si avrà una miscela di due fasi (una fase alfa detta grigia e una beta detta tau). 

Anche le leghe di metallo sono bifasiche e possiamo lavorare per migliorare le proprietà di queste leghe bifasiche ad esempio andando su e giù di temperatura per far si che queste fasi abbiano una certa forma e  una certa disposizione. 

Il Titanio nel corpo umano

Gli impianti di sostituzione articolare, applicazioni dentali, ortopediche contengono  leghe di titanio o cobalto-cromo. 

La presenza di uno strato di ossido di titanio sulla superficie dell'impianto è considerata cruciale per il mantenimento dell'osteointegrazione e la prevenzione della corrosione della superficie in titanio (1).

Le piastre in titanio sono ampiamente utilizzate in ambito clinico a causa della loro elevata affinità ossea. e la piastra in fibra di titanio è in grado di facilitare meglio la riparazione del tessuto osseo rispetto alla piastra in titanio convenzionale (2).

Una serie di complessi contenenti titanio, Ti, come centro metallico ha dimostrato di possedere un ampio spettro di proprietà antitumorali. Questa serie appartiene agli agenti antitumorali metallici non di platino che sono stati sviluppati principalmente negli ultimi 20 anni. I derivati del bis(beta-diketonato)titanio(IV) e del titanocene sembrano offrire un'alternativa diversa per la chemioterapia antitumorale che non seguono il razionale e il meccanismo d'azione dei complessi di platino. Viene discussa l'idrolisi di questi complessi in soluzioni acquose e pseudo acquose e vengono presentati anche gli studi di interazione dei complessi di titanio con le biomolecole per svelare il meccanismo d'azione a livello molecolare (3).

Questo studio ritiene che il titanio sia sottovalutato in biologia e ritiene che esistano meccanismi molecolari in grado di mantenerlo in forma altamente stabile e non tossica (4).

Titanio studi

• Formula molecolare:  Ti
• Peso molecolare: 47.867 g/mol
• CAS: 7440-32-6
• UNII D1JT611TNE
• EC Number: 231-142-3
• DSSTox Substance ID: DTXSID3047764
• MDL number  MFCD00011264
• PubChem Substance ID 329800079

Bibliografia_____________________________________________________________________

(1) Ferguson A.B., Akahoshi Y., Laing P.G., Hodge E.S. Characteristics of trace ion release from embedded metal implants in the rabbit. J. Bone Jt. Surg. 1962;44:317–336. doi: 10.2106/00004623-196244020-00008

(2) Takizawa T, Nakayama N, Haniu H, Aoki K, Okamoto M, Nomura H, Tanaka M, Sobajima A, Yoshida K, Kamanaka T, Ajima K, Oishi A, Kuroda C, Ishida H, Okano S, Kobayashi S, Kato H, Saito N. Titanium Fiber Plates for Bone Tissue Repair. Adv Mater. 2018 Jan;30(4). doi: 10.1002/adma.201703608.

(3) Meléndez E. Titanium complexes in cancer treatment. Crit Rev Oncol Hematol. 2002 Jun;42(3):309-15. doi: 10.1016/s1040-8428(01)00224-4.

(4) Loza-Rosas SA, Saxena M, Delgado Y, Gaur K, Pandrala M, Tinoco AD. A ubiquitous metal, difficult to track: towards an understanding of the regulation of titanium(iv) in humans. Metallomics. 2017 Apr 19;9(4):346-356. doi: 10.1039/c6mt00223d.