Biomateriali ceramici: caratteristiche e uso delle idrossiapatiti sintetiche

Generalità sui materiali ceramici

Prima parteBiomateriali ceramici - prima parte Generalità sui materiali ceramici Sono generalmente composti inorganici refrattari che contengono elementi metallici e non metallici: composizione e proprietà variano entro un largo spettro Circa le caratteristiche dei legami, si passa da composti tipicamente ionici come il cloruro di sodio (NaCl) e il cloruro di cesio (CsCl), a composti prevalentemente covalenti (87%) come il solfuro di zinco (ZnS) o del tutto covalenti come il carbonio nelle sue diverse forme allotropiche Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Esempi di materiali ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte 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)

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Forme allotropiche del carbonio

Biomateriali ceramici - prima parte Forme allotropiche del carbonio Sono materiali ceramici anche il diamante e le altre forme allotropiche del carbonio, come la grafite e il carbonio pirolitico, che presentano legami covalenti anziché ionici Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Difficoltà nel definire i ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte 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 Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Classificazione dei materiali ceramici

Classificazione dei materiali ceramici Materiali ceramici

Ceramici tradizionali

• Ceramici a pasta porosa
  • Terrecotte
  • Terraglie
  • Maioliche
• Ceramici a pasta compatta
  • Porcellane
  • Grès

Ceramici avanzati

preparati per sinterizzazione di materiali inorganici non metallici (ossidi, siliciuri, carburi, etc)

Struttura dei materiali ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Struttura dei materiali ceramici Sono normalmente dei solidi policristallini, tuttavia possono presentarsi anche come solidi amorfi o come monocristalli Nella maggior parte dei casi il legame primario presente è di tipo misto ionico-covalente: la percentuale di carattere ionico del legame è importante in quanto influisce sulla struttura cristallina del materiale In generale, sono composti del tipo A X1, dove A è l'elemento metallico, X l'elemento non metallico, e m ed n sono numeri interi Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Caratteristiche dei materiali ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Tra le caratteristiche tipiche più importanti dei materiali ceramici ci sono:

• v durezza
• v elevata temperatura di fusione
• v bassissima conducibilità termica

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Scala di Mohs

Biomateriali ceramici - prima parte Scala di Mohs

Minerali	Tipo di durezza	Gradi di scala Mohs
Talco	Teneri scalfibili dall'unghia	1
Gesso	2
Calcite	semiduri scalfibili da una punta d'acciaio	3
Fluorite	4
Apatite	5
Ortoclasio	duri (non scalfibili da una punta d'acciaio)	6
Quarzo	7
Topazio	8
Corindone	9
Diamante	10

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Proprietà dei materiali ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Proprietà dei materiali ceramici

Vantaggi

• Buona resistenza meccanica
• Elevata durezza
• Buone proprietà tribologiche
• Bassa densità
• Bassa espansione termica
• Elevata refrattarietà termica
• Elevata refrattarietà chimica

Svantaggi

• Alte temperature di sinterizzazione
• Fragilità intrinseca
• Difficile riproducibilità
• Elevati costi di lavorazione meccanica

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Limiti di utilizzo dei ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Limiti di utilizzo dei ceramici A causa della durezza e della fragilità, i materiali ceramici non sono generalmente adatti alla costruzione di componenti meccanici Essi possono tuttavia essere impiegati con successo come materiali di rivestimento, quando sia necessario conferire particolari proprietà superficiali a manufatti realizzati con altri materiali La deposizione superficiale di materiali ceramici viene solitamente ottenuta mediante tecniche di deposizione fisica in fase vapore (PVD) e di spruzzatura termica Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Fattori che influenzano le proprietà dei ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Fattori che influenzano le proprietà dei ceramici Le proprietà dei materiali ceramici sono influenzate da una serie di fattori che dipendono dal modo in cui sono stati preparati Sotto questo aspetto risultano importanti:

• la composizione chimica delle polveri di partenza, in relazione alle impurezze presenti
• la composizione e la distribuzione delle fasi;
• le fasi presenti ai bordi di grano
• la popolazione granulometrica, cioè dimensione, forma e distribuzione dei granuli

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Applicazioni biomediche dei materiali ceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Applicazioni biomediche dei materiali ceramici Le principali applicazione biomediche dei materiali ceramici cadono nei settori:

• ortopedico
• maxillofacciale
• odontoiatrico e otorinolaringoiatrico: dove sono impiegati per la loro proprietà di essere buoni sostituti funzionali dei tessuti duri come il tessuto osseo
• cardiovascolare

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Impiego in ortopedia

Biomateriali ceramici - prima parte I materiali ceramici vengono usati in ortopedia nella fabbricazione di:

• v protesi articolari, anche in virtù delle caratteristiche antifrizione;
• v mezzi di osteosintesi

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Applicazioni in odontoiatria e otorinolaringoiatria

Biomateriali ceramici - prima parte Odontoiatria In odontoiatria essi sono usati come materiali per la realizzazione di denti artificiali Otorinolaringoiatria I materiali ceramici sono talvolta impiegati in otorinolaringoiatria, ad esempio nella realizzazione degli ossicini dell'orecchio interno Settore cardiovascolare Le applicazioni nel settore cardiovascolare, seppure molto importanti, sono limitate all'utilizzo di carbonio pirolitico Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Biomateriali ceramici - prima parte

PADIGLIONE AURICOLARE INCUDINE NERVO ACUSTICO MARTELLO STAFFA 13 14 TIMPANO CONDOTTO UDITIVO FINESTRA TONDA CHIOCCIOLA TROMBA DI EUSTACCHIO 10 19 ORECCHIO ESTERNO ORECCHIO MEDIO ORECCHIO INTERNO - Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Biomateriali ceramici - prima parte

Leaflet Closed Leaflet Stop Solid Pyrolytic Carbon Orifice Open Leaflet Stop Cuff Marker Titanium Strengthening Ring Titanium Lock Ring Leaflet Pivot Locking Wire Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Materiali bioceramici importanti

bioceramiciBiomateriali ceramici - prima parte I materiali bioceramici più importanti sono:

• allumina (corindone)
• idrossiapatite (HA)
• ß-fosfato tricalcico (TCP)
• biovetri (BG) e vetroceramiche bioattive

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Classificazione dei materiali bioceramici

Biomateriali ceramici - prima parte Classificazione I materiali bioceramici possono essere suddivisi in tre diverse categorie:

• ceramiche bioinerti, caratterizzate da elevata resistenza chimico-fisica all'ambiente biologico (allumina)
• ceramiche riassorbibili, attivamente coinvolte in vari processi metabolici (idrossiapatiti naturale e sintetiche, fosfati di calcio)
• ceramiche bioattive, capaci di formare legami chimici diretti con il tessuto osseo, ma anche con tessuti molli di organismi viventi (idrossiapatiti naturale e sintetiche, fosfati di calcio, biovetri, biovetroceramiche)

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Principali ceramici bioinerti

ceramici bioinertiBiomateriali ceramici - prima parte Principali ceramici bioinerti Il più diffuso è l'allumina (Al2O3) Vengono anche impiegati:

• il biossido di titanio (TiO2);
• il biossido di zirconio (ZrO2) comunemente chiamato zirconia;
• le porcellane dure

In realtà, ZrO, viene sempre più utilizzato in sostituzione dell'allumina come biomateriale Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Caratteristiche dei ceramici bioinerti

Biomateriali ceramici - prima parte Caratteristiche dei ceramici bioinerti Le caratteristiche che si richiedono a questi materiali sono:

• elevata resistenza meccanica alla compressione, in modo particolare nel caso di carichi ciclici
• elevate proprietà tribologiche, in modo da permetterne l'utilizzo nella costruzione di:
  • v protesi di giuntura, come quelle dell'anca, del ginocchio, ecc.,
  • v parti che sono sottoposte a movimenti reciproci, cioè che devono scorrere per scivolamento

Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Requisiti tribologici

Biomateriali ceramici - prima parte Requisiti tribologici Per rispondere ai requisiti tribologici richiesti, la ceramica deve possedere una grana particolarmente fine e omogenea, in modo da rendere minimi i rischi conseguenti ad eventuali sgranamenti I grani di questi materiali, che sono molto duri, hanno infatti un'azione abrasiva decisamente forte sugli altri materiali più teneri, come metalli e polimeri Gli sgranamenti, nel caso di accoppiamenti tra ceramica e altri materiali, possono provocare rigature e irruvidimenti sulle superfici sottoposte a scivolamento Biomateriali - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Infiammazione dei tessuti circostanti

Biomateriali ceramici - prima parte L'infiammazione dei tessuti circostanti può insorgere nelle protesi soggette a scorrimento Il lubrificante fisiologico presente nelle articolazioni è un liquido viscoso, che si insinua tra di esse, chiamato liquido sinoviale; in caso d'infiammazione, nel liquido sinoviale vengono a trovarsi delle proteine di catabolismo, il cui deposito rende più ruvide le superfici a contatto con il liquido Con l'infiammazione, il movimento reciproco delle superfici irruvidite diviene così più difficoltoso, sino a provocare il blocco del giunto; in caso di blocco il deposito proteico della sinovia contiene dei microcristalli di pirofosfato di calcio idrato