Materiali polimerici

Question 1

CARATTERISTICHE

Answer 1

legami covalenti e forze di Van der Waals;
tendenzialmente sono composti organici.

Question 2

PROPRIETA’

Answer 2

elevata variabilità delle proprietà. Questo ha come vantaggio il fatto di poter altamente personalizzare i materiali a seconda dell’applicazione che voglio, per questo sono uno dei biomateriali più utilizzati.

Question 3

PRO E CONTRO

Answer 3

pro: i materiali possono essere ingegnerizzati per un uso specifico facendo un controllo sulle sue proprietà (es. materiale più o meno isolante, rigido, etc.). Sono proprietà che conosco, quindi durante il casting devo mantenere queste proprietà.
contro: i materiali polimerici sono influenzati (molto suscettibili) ai cambiamenti di temperatura.

Question 4

APPLICAZIONI

Answer 4

campo dentistico (byte: materiale trasparente: obiettivo visivo/estetico, funzionale/igiene e resistente), ortopedico, riparazione/sostituzione di tessuti e campo cardiovascolare.

Question 5

CLASSIFICAZIONE

Answer 5

si basa su:
- origine: sintetico o naturale (es. tessuti);
- struttura: omopolimeri (materiale fatto tutto dallo stesso componente elementare) o copolimeri (materiale fatto da più componenti elementari);
- comportamento termico: termoplastici ( se portati a fusione possono essere rimodellati e così via) o termoindurenti (una volta fuso, e poi solidificato, non si può rifondere; se ci provassimo andremmo incontro a carbonizzazione);
- meccanismi di polimerizzazione: condensazione o addizione.

Question 6

POLIMERO

Answer 6

poly (multi) - meros (parti –> i monomeri) = multiparti.

Question 7

STRUTTURA

Answer 7

le molecole polimeriche sono organizzate in strutture concatenate composte da unità più piccole, chiamate monomeri (l’unità che si ripete) legati da un legame covalente (in base al legame cambiano le proprietà).
Le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche dipendono da:
- composizione;
- struttura;
- peso molecolare (tendenzialmente per i polimeri è molto elevato).
Possono essere organizzati in:
- omopolimeri: ripetizione dello stesso monomero;
- copolimeri: ripetizione, randomica o regolare, di due o più monomeri.

Question 8

COPOLIMERI

Answer 8

possono essere:
- randomici: polimeri dove i monomeri che lo compongono hanno una disposizione del tutto casuale;
- regolari:
1. copolimero alternato;
2. copolimero a blocchi;
3. copolimero a innesto: unione di omopolimero sulla catena principale a cui si legano catene secondarie omopolimeriche.

Question 9

STRUTTURA FISICA DEI POLIMERI

Answer 9

molecole polimeriche lineari possono legarsi covalentemente a un’altra catena creato un polimero ramificato o retificato.
Inoltre, l’interazione tra le catene (es. forze di van der Waals, reazioni ioniche, legami a idrogeno, etc.) ha un ruolo fondamentale nel definire lo stato fisico del polimero.
- polimeri lineari e ramificati hanno un comportamento viscoelastico, a causa del legame debole che permette lo scorrimento delle catene. Sotto questo punto di vista, i polimeri ramificati hanno proprietà migliori di quelli lineari, poiché sono presenti più legami che ostacolano lo scivolamento.
- polimeri retificati creano legami covalenti tra le catene, ossia diventa una macromolecola tridimensionale. Ogni catena è fissa nella sua posizione e non c’è comportamento viscoelastico.

Question 10

CRISTALLINITA’

Answer 10

tendenzialmente in un polimero sono presenti regioni a:
- struttura amorfa: le macromolecole sono organizzate in maniera del tutto randomica tra di loro;
- struttura cristallina (o semi): le catene sono organizzate con una certa regolarità e in specifiche condizioni.
Per questo si definisce il GRADO DI CRISTALLINITA’ come il rapporto tra il peso della porzione cristallina e il peso totale. Il grado di cristallinità dipende anche dal processo tecnologico (es. a caldo o a freddo) usato per sintetizzare il polimero. A seconda del grado cambiano le proprietà del polimero.

Question 11

POLIMERIZZAZIONE

Answer 11

è la sintesi dei polimeri; consiste nell’unione tra differenti monomeri per formare il polimero.
Ci sono diversi meccanismi:
1. condensazione;
2. addizione;
3. coordinazione.
In ogni caso la polimerizzazione necessita di energia, in forme diverse a seconda del processo.

Question 12

CONDENSAZIONE

Answer 12

avviene a causa di reazioni di sintesi.
Ha bisogno di energia per partire (es. temperatura, luce, radiazione, agente chimico).
Durante questo meccanismo, due monomeri (o polimeri) creano un legame covalente, generando un NUOVO POLIMERO e un PRODOTTO SECONDARIO (es. H2O, CH3, OH, etc.).
Il nuovo polimero è formato da diverse catene, corte e con basso peso molecolare.

Question 13

ADDIZIONE

Answer 13

il monomero ha un doppio (o triplo) legame tra gli atomi di carbonio. Per far si che la reazione si attivi, bisogna rompere i legami doppi (o tripli) fornendo energia. Dopodiché i monomeri continueranno a unirsi fino a quando il polimero non diventa una macromolecola stabile. Si ottengono poche catene, lunghe e con alto peso molecolare.
E’ possibile distinguere tre fasi:
1. FASE INIZIALE: la reazione ha inizio con un radicale (polimerizzazione radicale) o con un carbocatione (polimerizzazione cationica). Il reagente spezza il legame e si lega al monomero.
R- + M –> RM-
2. FASE DI CRESCITA: il prodotto della fase iniziale sarà l’elemento che romperà altri legami e continuerà la reazione con i restanti monomeri.
RM- –> RMM-
RMM- + nM –> RM(n + 1)M-
3. FASE FINALE: il processo si ferma quando si crea un legame tra catene di accrescimento (a) o catena in accrescimento e un radicale (b)
(a) RMnM- + RMnM- -> RM(n+1) + RM(n + 1)
(b) RMnM- + R- –> RM(n+1)R (oppure RM(n+1)M(n+1)R)

Question 14

COORDINAZIONE

Answer 14

parte grazie a un attivatore chiamato reattore metallico organico (reattori Natt - Ziegler).
I polimeri che si ottengono hanno le seguenti caratteristiche:
- lunghe catene lineari;
- alta cristallinità;
- alta temperatura di fusione;
- alta densità;
- alta competenza meccanica.

Question 15

PROPRIETA’ FISICHE DEI POLIMERI

Answer 15

le proprietà fisiche sono strettamente influenzate da:
- grado di polimerizzazione e peso molecolare;
- temperatura di lavoro;
- disposizione delle catene.

Question 16

TEMPERATURA DI LAVORO

Answer 16

Nel grafico si può vedere come un materiale polimerico (semicristallino o amorfo) varia il proprio modulo elastico al variare della temperatura.
Esistono tre regioni fondamentali:
1. zona vetrosa;
2. zona gommosa;
3. zona liquida.
Queste regioni si identificano in base alla temperatura di lavoro, in particolare abbiamo:
la regione di transizione vetrosa si trova nell’intorno della temperatura tg = temperatura di transizione vetrosa.
La regione di transizione gommosa è una regione in cui il materiale ha caratteristiche intermedie tra solido e liquido, che termina con tr = temperatura di rammollimento, ossia il limite oltre il quale il materiale perde le sue caratteristiche e va incontro a fusione.
In base alla struttura del materiale si possono osservare due comportamenti diversi:
- semicristallino: il modulo elastico (LogE) si mantiene pressocché costante fino alla regione di transizione vetrosa, in cui comincia a decrescere lentamente, per poi decrescere notevolmente in regione gommosa fino a raggiungere tr. Infine si stabilizza a un valore finale.
- materiale amorfo: il modulo elastico inizia a decrescere notevolmente non appena entra in zona di transizione vetrosa; per questa temperatura il materiale modifica la sua struttura e perde le sue proprietà.
La temperatura di transizione vetrosa è un parametro importante perché indica il limite dopo il quale il materiale comincia a cambiare le sue proprietà, in maniera più o meno significativa in base al tipo di polimero.

Question 17

COMPORTAMENTO MECCANICO

Answer 17

! grafico deformazione (strain) - tensione applicata
I polimeri hanno un comportamento elasto-plastico:
- nel primo tratto di curva, ha un tratto elastico lineare. Se applico un carico esso ha comportamento lineare, ossia torna allo stato iniziale quando lo si toglie;
- dopo la tensione di snervamento, il materiale inizia a deformarsi plasticamente, ossia il materiale rimane deformato anche se il carico viene tolto.

Question 18

EFFETTO DI TEMPERATURA E VELOCITA’ DI DEFORMAZIONE

Answer 18

se il polimero ha comportamento viscoelastico, si verifica che:
- aumentando la temperatura la curva si abbassa –> diminuisce la pendenza del tratto lineare e quindi il modulo di Young;
- aumentando la velocità di deformazione del materiale (strain rate) si vanno a modificare le fibre del materiale, che si irrigidisce –> la curva tende ad aumentare la pendenza e quindi il modulo elastico.

Question 19

POLIMERI TERMOPLASTICI

Answer 19

ha un processo di lavorazione reversibile.
Caratteristiche:
- formati per reazione di polimerizzazione di addizione;
- polimeri lineari con catene lunghe;
- le catene lineari sono tenute insieme da deboli forze di van der Waals;
- morbidi, deboli e meno fragili.

Question 20

POLIMEO TERMOINDURENTI

Answer 20

ha un processo di lavorazione irreversibile.
Caratteristiche:
- formati per reazione di polimerizzazione di condensazione;
- consiste in una struttura reticolata 3D;
- catene lineari tenute insieme da forti legami covalenti;
- duri, forti e più fragili.

Question 21

DISPOSIZIONE DELLE CATENE

Answer 21

il modo in cui sono legate/allineate le catene è importante.
esempi:
- kevlar: catene intrecciate, per questo è resistente e meno deformabile;
- tubo di gomma naturale: catene disposte in modo omogeneo all’interno del materiale.

Question 22

BIODEGRADIBILITA’

Answer 22

è un processo che consiste nell’alterazione fisica/chimica di un materiale in un ambiente biologico.
Può essere un fenomeno:
- desiderato (somministrazione di droghe);
- indesiderato (impianto permanente).
I prodotti della degradazione possono essere utili o tossici.
I materiali impiantati sono esposti a solubilità, fratture, deformazioni e instabilità.

Question 23

CONDIZIONI FISIOLOGICHE

Answer 23

generalmente i componenti polimerici devono lavorare in condizioni di:
- pH neutro;
- temperatura a 37°;
- bassa concentrazione salina.
Esistono certe condizioni che possono deteriorare i materiali:
- deterioramento chimico: idrolisi, ossidazione e solvolisi o un’alterazione chimica iniziata da processi di termolisi, fotolisi e radiolisi;
- deterioramento fisico: per usura il materiale si sta deteriorando; assorbimento, mineralizzazione, cristallizzazione, rigonfiamento, solubilità;
- fattori meccanici: rottura da stress, crepe, fatica meccanica e usura;
- reazioni del corpo umano: il nostro corpo reagisce considerando i biomateriali come parti esterne.
Bisogna ingegnerizzare il materiale in base alla condizione fisiologica che deve affrontare. Se poi si riesce, anche per le condizioni patologiche.

Question 24

STERILIZZAZIONE

Answer 24

tutti i tipi di materiali che entrano a contatto con il nostro corpo devono essere sterili. Esistono diversi meccanismi, ognuno con una tecnologia diversa; in molti casi si utilizza la temperatura (ATTENZIONE: c’è una temperatura di soglia che il materiale può raggiungere).

Question 25

STERILIZZAZIONE A SECCO

Answer 25

temperatura operativa tra i 160°C (2 ore) e i 190°C (15 min); quindi, la durata della sterilizzazione varia al variare della temperatura.
Va bene per PTFE, non per PMMA, PE, poliammide.

Question 26

STERILIZZAZIONE A VAPORE

Answer 26

alta pressione con temperatura tra i 120°C e i 135°C. Non va bene per i polimeri che possono essere danneggiati dal vapore acqueo, poiché può portare all’ossidazione (quindi la maggior parte).
Esempio:
- policarbonato: prima si fonde per il calore, poi l’alta pressione lo deforma;
- policarbonato ULTRA: può resistere a questo processo.

Question 27

STERILIZZAZIONE CHIMICA

Answer 27

sfrutta un reagente chimico (es. ossido di etilene, che è liquido, etanolo al 70%, che è liquido) a bassa temperatura per lungo tempo.
E’ quella che tende a danneggiare di meno i materiali, tuttavia non è sicura al 100% (es. uccide i batteri ma non le muffe).

Question 28

STERILIZZAZIONE COI RAGGI GAMMA

Answer 28

è una tecnica di sterilizzazione molto costosa.
Sfrutta i raggi generati dal cobalto-60.
E’ una radiazione, emissione di energia, che rischia di danneggiare i polimeri distruggendo nuovamente i legami chimici.
Viene usata principalmente in chirurgia (strumenti di metallo).

Question 29

PROCESSO DI CERTIFICAZIONE

Answer 29

è una necessaria verifica che viene effettuata prima della messa sul mercato. Bisogna garantire che il mio componente funzionerà e soprattutto per quanto tempo funzionerà.
Gli steps sono:
1. verifica con materiale sintetico;
2. verifica attraverso test in vitro su animale;
3. verifica attraverso test in vitro (–> processi biologici che si fanno avvenire in provetta o in un altro recipiente di vetro) su umani;
4. test clinici (in vivo –> osservazioni che si compiono su cellule o tessuti viventi);
5. certificazione da FDA o comunità EU.

E’ possibile usare il test in silico? ad oggi non siamo in grado di farlo senza una fase di validazione (prove sull’elemento di riferimento). Solo dopo la validazione (GOLD STANDARD di riferimento) portò essere in grado di usare il test in silico.

Question 30

POLIMERI PER APPLICAZIONI BIOMEDICALI

Answer 30

i polimeri vengono usati in applicazioni biomedicali perché:
- il polimero è un materiale personalizzabile;
- si possono ottenere forme diverse con processi tecnologici veloci e poco costosi;
- i polimeri sintetici hanno una struttura simile a quelli naturali (BIOCOMPATIBILITA’);
- alcuni polimeri possono essere assorbibili.

Tuttavia, un polimero per gli impianti negli uomini deve avere basse quantità di additivi e di residui monomerici.