Chimica dei Materiali Dentari: biomateriali e applicazioni in odontoiatria

I BIOMATERIALI

I biomateriali, che sono oggetto di studio sia degli ingegneri che degli odontoiatri, sono materiali che entrano in contatto con il corpo umano o con un essere vivente, non sono necessariamente di origine naturale ma possono essere anche sintetici (es. protesi in silicone per il seno), o di origine animale (es. trapianto di osso da osso bovino oppure osso che proviene dalla banca dell'osso di origine umana). I biomateriali sono materiali usati in medicina in generale per trattare sia tessuti duri che molli, noi parleremo di quelli utilizzati nei settori dell'Odontoiatria e dell'Ortopedia. Le considerazioni che si fanno riguardo i biomateriali utilizzati in ambito odontoiatrico e ortopedico sono molto simili: se ad esempio si parla di rigenerazione ossea, che sia la mandibola o il femore, poco cambia dal punto di vista del materiale. Esiste poi tutta una serie di altre applicazioni in medicina (su cui però non ci soffermeremo) come, ad esempio, stent, valvole cardiache, protesi d'anca, ecc. Chiaramente non possono essere utilizzati tutti i materiali; per impiantare in un paziente un materiale, bisogna che questo sia:

• Sicuro
• Non citotossico
• Biocompatibile

Il settore dei biomateriali utilizzati in medicina è in forte crescita perché la popolazione mondiale sta drammaticamente invecchiando (soprattutto nel primo mondo): questo porta ad una sempre maggior richiesta di materiali sintetici che possano rimpiazzare una parte del corpo umano danneggiata, per questo l'UE sta stanziando tantissimi fondi per la ricerca e lo sviluppo dei biomateriali. Questo perché un numero maggiore di persone necessita di ripristinare la funzionalità di diverse parti del corpo. Dal punto di vista odontoiatrico ad esempio c'è tutta la componente estetica che utilizza materiali di diverso tipo, ma anche tutta la parte degli impianti che tipicamente viene effettuata in pazienti non giovanissimi o in caso di traumi e incidenti.

COS'È UN BIOMATERIALE

Nel 1986 viene data la definizione di biomateriale in una Consensus Conference, in cui è stata poi fondata la Società Europea per i Biomateriali e sono state dettate le linee guida su tutti i biomateriali che possono interagire con il corpo. È, quindi, un argomento abbastanza recente siccome prima di allora i rischi di rigetto e di infezione erano alti. Un biomateriale è un materiale utilizzato generalmente come medical device, ovvero un dispositivo o sistema medico (come ad esempio un impianto dentale, pacemaker, impianto per dialisi) e che interagisce con un sistema biologico, ovvero il corpo umano. Un biomateriale è generalmente utilizzato per sostituire o riparare una parte o una funzione del nostro corpo, che ha subito un danno o che è venuto a mancare. Es: l'impianto ha una vite di titanio che va nell'osso ed una corona ceramica esterna, è un dispositivo medico che va a rimpiazzare un dente perso e anche la funzione della masticazione. Il pacemaker ripristina la funzione del battito cardiaco ma non sostituisce il cuore, però è comunque considerato un biomateriale perché interagisce con il corpo umano. Un biomateriale è:

• Sicuro: cioè non deve causare danni o trasmettere infezioni;

2Scatigna, Di Micco, Medregoniu, Ferrari CHIMICA DEI MATERIALI DENTARI (Cannillo) Lezione 1, 2/10/2024

• Affidabile: ovvero duraturo nel tempo;
• Economicamente sostenibile
• Accettabile da un punto di vista fisiologico

Un biomateriale è quindi una sostanza (NON una medicina, "drug") che aumenta, tratta o rimpiazza un qualsiasi organo o tessuto o funzione corporea e può essere di due tipologie:

• Naturale
• Sintetico (questi vengono usati molto di più)

Per trattare un ritiro di osso le alternative possono essere, oltre ad attingere alla banca dell'osso che spesso è difficile:

• Autotrapianto, quindi usare tessuti autologhi, ma in questo caso ci sono dei problemi:
  • Il pz deve avere abbastanza tessuto da poter prelevare
  • Si hanno 2 siti operatori anziché 1 solo
• Trapianto eterologo, che però ha molte limitazioni dovute alla trasmissione di patologie e al rigetto
• Trapianto con tessuto animale che, oltre a possibili patologie, porta con sé diverse questioni morali

Quindi, avere a disposizione dei materiali sintetici adatti riduce l'invasività e semplifica le operazioni; con un materiale sintetico la possibilità di trasmissione di patologie, se sterilizzato, si azzera. Quasi tutti i materiali utilizzati in odontoiatria (capsule, corone, ponti, resine, impianti ecc.) sono materiali sintetici.

I MATERIALI

I materiali si dividono in queste quattro categorie (non solo in campo odontoiatrico, in generale):

• METALLI: I metalli si conoscono sin dall'antichità e sono materiali che devono essere lavorati. Questi possiedono alte proprietà meccaniche, quindi sono molto resistenti e duttili. Queste loro proprietà li rendono molto indicati per l'ambiente masticatorio, dove le forze esercitate sono molto elevate. Sicuramente il più utilizzato è il titanio (sotto forma di lega).
• CERAMICI: Le ceramiche sono molto antiche che risalgono all'antica Grecia e sono materiali che richiedono temperature di fabbricazione molto più elevate rispetto ai metalli. Hanno il vantaggio di essere molto duri ma lo svantaggio di essere estremamente fragili. In odontoiatria sono usati per questioni di estetica (faccette, capsule, ponti ... ) e perché hanno un'altissima resistenza all'usura. Ovviamente, la masticazione mette a dura prova la resistenza all'usura dei materiali.
• POLIMERI: I polimeri si sono sviluppati nella metà del secolo scorso e sono detti comunemente plastiche anche se non sono proprio la stessa cosa, infatti il polimero è la macromolecola, la plastica presenta anche alcuni additivi. Tutte le resine utilizzate in odontoiatria vengono fotopolimerizzate: all'inizio si trovano in forma fluida, viscosa, poi tramite fotopolimerizzazione il polimero solidifica; prendono la forma di ciò che vanno a sostituire perché sono delle paste modellabili che si induriscono sotto la luce UV.
• COMPOSITI: I compositi sono dati dall'unione di due o più materiali differenti. Ne esistono moltissimi e diversi tra loro, è la classe di materiali più vasta (tutte le attrezzature per sport e tempo libero sono realizzate in composito come sci, canoe, mazze da golf ecc.).

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METALLI

I metalli sono materiali cosiddetti "strutturali" per eccellenza, cioè, possono sopportare carichi importanti e per questo hanno applicazioni vastissime in diversi settori. Un metallo resiste a carichi molto elevati ed è duttile, cioè si allunga prima di rompersi, cosa che mi "avvisa" prima della rottura, molto diverso da un materiale fragile che si rompe improvvisamente senza alcuna previa deformazione plastica. L'ortodonzia ad esempio utilizza i metalli perché le forze applicate dall'arcata dentaria sono molto importanti. Quelli usati esclusivamente in medicina, sia che devono rimanere impiantati all'interno del cavo orale sia che costituiscono gli strumenti che si utilizzano nelle minime operazioni chirurgiche (trapano, bisturi, etc), sono:

• Acciaio (steel): la differenza tra ferro e acciaio sta nel fatto che il ferro sia un elemento chimico mentre l'acciaio è una lega ferro-carbonio.
• Alluminio (aluminum)
• Rame (copper)
• Magnesio (magnesium)
• Zinco (zinc)
• Titanio (titanium) - è il materiale di gran lunga più utilizzato ed importante per l'odontoiatria sotto forma di lega, raramente viene usato puro
• Oro (gold)
• Argento In UE e negli USA non vengono più usati per l'odontoiatria (silver)

In particolare, in UE e negli USA si usano soprattutto il titanio e le leghe cobalto-cromo. Le leghe (alloys) sono materiali ottenuti dalla fusione di più metalli in cui uno è presente in maggiore quantità. Si distinguono due tipologie di leghe:

• Leghe ferrose:
  • Acciaio (steel) usato in odontoiatria per gli strumenti perché è facilmente sterilizzabile in autoclave, lega ferro-carbonio.
  • Ghisa (cast iron) di cui sono fatti i tombini, sempre ferro-carbonio, meno utilizzata in ambito medico.

Sia acciaio che ghisa sono leghe ferro-carbonio e si differenziano tra loro dalle % di carbonio. In odontoiatria è molto più usato l'acciaio.

• Leghe non ferrose:
  • Leghe di alluminio
  • Leghe di titanio, le più usate nel nostro settore. Il titanio di cui noi parliamo in realtà è una lega (il 90% è titanio, il restante 10% è costituito da altri metalli).

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I CERAMICI

I ceramici sono materiali che presentano:

• Elevata durezza (hardness), ovvero presenta un'alta resistenza alla penetrazione superficiale o alla scalfittura
• Elevata resistenza all'usura (wear resistance)
• Stabilità chimica
• Proprietà meccaniche Funzionano molto bene con alte temperature (per fondere o rendere duttile un metallo sono necessarie temperature molto elevate, mentre quelle dei ceramici sono ancora più elevate) Buone capacità di isolanti termici ed elettrici (tant'è che gli scudi termici presenti sugli shuttle sono fatti in ceramico, in modo tale da proteggere dalle elevate temperature che si raggiungono nel passaggio attraverso l'atmosfera)

L'unico grande svantaggio dei ceramici è rappresentato dalla fragilità (brittleness), difatti se si prendessero in considerazione un bicchiere in metallo e una tazza in ceramica e si facessero cadere, la prima si ammaccherebbe semplicemente, mentre la seconda si spaccherebbe. Quindi la fragilità è la resistenza alla rottura: tanto più un materiale è fragile, tanto meno resiste alla rottura. I ceramici sono materiali inorganici (non presentano carbonio) e sono costituiti sia da metalli che non metalli, generalmente legati con legame ionico-covalente. Hanno tipicamente una struttura cristallina, mentre i vetri (facenti parte della famiglia dei ceramici) sono amorfi. I materiali amorfi presentano una struttura disordinata, mentre i materiali presentanti una struttura cristallina, sono disposti in modo ordinato e presentano un pattern che si ripete nello spazio.

I POLIMERI

I polimeri (dal greco polys-meros) sono costituiti da tante unità fondamentali (monomeri) ripetute diverse volte nello spazio e legate tra loro mediante legame chimico. Ve ne sono di diversi tipi:

• PVC (polivinilcloruro), costituito da monomeri di vinilcloruro
• PE (polietlene), costituito da monomeri di etilene
• Nylon (non è il nome reale del materiale), si tratta di un poliammide
• PET (polietilene tereftalato), utilizzato per le bottigliette di plastica
• PMMA e ABS, sono vetri polimerici

I polimeri si suddividono in:

• Termoindurenti (thermosets), come la resina epossidica utilizzata per i compositi delle componenti delle automobili. Si tratta di polimeri che hanno subito un processo di reticolazione o polimerizzazione, una reazione chimica irreversibile. La resina dentale per le otturazioni è un termoindurente, in quanto una volta che assume la forma della cavità non torna a quella originale.
• Termoplastici (thermoplastics), sono polimeri che si possono lavorare diverse volte, basta che vengano scaldati applicando una temperatura superiore a quella caratteristica, ovvero la temperatura di transizione vetrosa (Tg, T- glass).

I COMPOSITI

I compositi sono i materiali più moderni, di ultima generazione e anche questi vengono usati in odontoiatria. Dal nome stesso si riesce a comprendere che si tratti di materiali costituiti da due o più componenti, di solito si tratta di una matrice e un rinforzo (si tratta di fibre o particelle). Ad esempio, le resine dentali per otturazione sono costituite da matrice polimerica e particella ceramica micrometrica. 5