Scienze dei materiali Flashcards
Medicina personalizzata
I biomateriali e le loro applicazioni seguono le esigenze dei pazienti, diversi per stato osseo, età e abitudini: la medicina diventa personalizzata e pronta ad adattarsi ad ogni persona.
L’analisi delle lastre, frontali e laterali, è fondamentale
Per la creazione di protesi su misura si fanno modelli 3D –> perfetta sul paziente/facile per il chirurgo da inserire
Materiali ingegneristici
Metalli ->
FERROSI: ghisa, acciaio (+leghe)
NON FERROSI: alluminio, rame, ottone, bronzo, zinco, magnesio, titanio, argento, stagno, oro, nichel
Non metalli ->
ORGANICI
1)polimeri:
*termoplastici: propilene, polietilene, polistirene, pvc, acrilico, nylon, pet
*termoindurenti: fenolici, epossidica, alchiliche
*elastomeri: gomma, silicone, fluorocarbone, butile
2)altro: pelle, carbonio, legno, carta
INORGANICI
1) ceramiche: aluminia, magnesia, berillia, carburi, nitruri, zirconia
2) vetri: silicati, soda-lime, cristallo
3) altro: mica, calcestruzzo, gesso
i materiali più interessanti per prestazioni meccaniche sono le leghe
l’acciaio inox è più adatto a strumentazione per sala operatoria (materiale sterile)
il titanio è compatibile con test a campi elettromagnetici
i materiali sono tanti ma quelli regolamentati - e quindi effettivamente utilizzati - sono sempre i soliti
Medical grade
Il materiale utilizzato DEVE essere inserito nell’apparato regolamentare che garantisce che sia:
- assorbente-controllato
- inquinato-controllato
- atossico -> nessun innesco reazioni interne
- funzionante
- sterilizzabile -> eliminare la carica batterica attraverso trattamenti che non alterano il materiale
- biocompatibile -> meccanicamente e all’interfaccia
NOTA BENE occorre cautela nella consultazione di tabelle descrittive, perchè ogni materiale è diverso a seconda del trattamento, trasporto, composizione, origine etc
Tipi di sollecitazione
Meccaniche: per via del carico posturale
Chimiche: corrosione in ambiente salino/acido (0,9% NaCl)
Termiche: nonostante l’uomo sia “termostatato”
Elettriche: per via del rilascio ionico
Bulk
Interfaccia -> tra differenti costituenti strutturali
Superficiali -> tra due diverse fasi
Autoindotte
Esterne -> statiche, dinamiche, impulsive
Bassa->deformazione elastica: la struttura atomica non è disturbata
Alta->deformazione plastica: la forma dell’oggetto è modificata in seguito all’applicazione di energia e viene raggiunto un nuovo equilibrio energetico
NOTA la composizione del materiale è alla base del tipo di deformazione
Energia
Il BILANCIO ENERGETICO è essenziale: la protesi deve dissipare l’energia derivante da urti/percosse-> si piega (=dissipa in modo controllato) o si rompe
in MECCANICA = bilancio di forze e momenti
in CHIMICA = bilancio di potenziali chimici
nel momento in cui viene inserito un dispositivo esterno all’interno di un paziente, si ha un’interazione che termina proprio nel momento in cui si raggiunge l’equilibrio (chimico).
NOTA BENE
Nel bulk ho continuità energetica, al contrario della superficie!
Diagramma stress-strain
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Stress_Strain_Ductile_Material.png/800px-Stress_Strain_Ductile_Material.png
la legge di Hooke (regime elastico lineare, σ=εE con σ=P/Ao stress, ε=(L-Lo)/L deformazione, E modulo di Young) dura fino al carico di proporzionalità.
il Modulo di Young è calcolato fino al limite elastico.
nel punto di snervamento ho un’improvvisa e grande deformazione con poco stress: dopo poco ho il massimo stress; infine arriva il punto di frattura.
La tensione di snervamento è funzione della dimensione dei grani: questi sono un’efficace barriera alla deformazione, infatti più sono piccoli più è il bordo, quindi il metallo è più resistente allo snervamento, perchè ho sotto controllo la migrazione delle dislocazioni (che sono locate proprio nei bordi di grano).
Resilienza
resistenza a una deformazione permanente
Durezza
resistenza fino al punto di frattura
Cristalli fondamentali
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fgeabracciali.com%2Fcristalloterapia%2Fsistemi-cristallini%2F&psig=AOvVaw1Imh_KPOZgMUADx-Cro81k&ust=1649169798368000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjRxqFwoTCPDY-7bS-vYCFQAAAAAdAAAAABAD
CUBICO CORPO CENTRATO (CCC) come ferro, cromo, molibdeno atomi tot: 2 #coordinazione: 8 fattore di compattazione: 0,68
CUBICO FACCE CENTRATE (FFC) come rame, alluminio, oro, argento atomi tot: 4 #coordinazione: 12 fattore di compattazione: 0,74
RETTANGOLO ESAGONALE COMPATTO (HCC) come cadmio, magnesio, zinco, titanio atomi tot: 6 #coordinazione: 12 fattore di compattazione: 0,74
Autotensioni
quando si crea una lega viene scombussolata l’energia e di conseguenza si va alla ricerca di un nuovo equilibrio energetico e quindi cambia la forma; nel caso in cui ci siano VINCOLI DIMENSIONALI allora il sistema rimane compresso e si hanno le autotensioni; anche il GRADIENTE DI RAFFREDDAMENTO determina le autotensioni!
Processo di produzione dei metalli
1)Depositi minerali
viene effettuata estrazione, raffinamento e vengono create leghe
2)Preformato
si ottengono fili, barre, fogli, tubi, polveri, attraverso la fase di FABBRICAZIONE (colata, forgiamento, laminazione, produzione in polvere, lavorazione a caldo)
3)Dispositivo preliminare -> dispositivo finale
la SUPERFICIE viene lavorata (copertura porosa, lucidatura, sabbiatura)
4)Mercato
fase a cui si accede solo dopo una attenta pulizia, controllo qualità e packaging
Modelli standardizzati: profilati = travi e palificazioni rotaie = std, per gru, giunzioni barre = profilo tondo, quadro, esagonale etc tondi -> fili -> funi/chiodi/reti tubi/tubazioni lamiere e lamierini
Legame ferro-carbonio, diagramma ferro-carbonio
Il metallo si ricava sotto forma di OSSIDO / CARBONATO
una reazione di riduzione con addizione di C permette di isolarlo ( MeO + CO -> Me + CO2)
ecco perchè è inevitabile avere una percentuale di carbonio; anche per piccole variazioni percentuali ho
caratteristiche molto diverse.
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fdidattica-2000.archived.uniroma2.it%2FFond_Prog_Strutt_mec%2Fdeposito%2F02-Tensione-Compressione-Taglio_V1-6.pdf&psig=AOvVaw39I_PmOz-yts6_uzO6YqFm&ust=1649260224198000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjhxqFwoTCLCgvb-j_fYCFQAAAAAdAAAAABAE
man mano che il tenore di carbonio sale (anche non oltre 1,12%), si ha la frattura per un valore di tensione più bassa (da 30% a 15%) - lo stress è decisamente alto [da 300 a 700MN/m^2].
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/it/thumb/b/be/Diagramma_Ferro-Carbonio.PNG/400px-Diagramma_Ferro-Carbonio.PNG
questo diagramma è all’equilibrio termodinamico, cioè le trasformazioni avvengono come sequenza di stati di equilibrio a prescindere dal tempo; nella realtà siamo fuori equilibrio, perciò è fondamentale considerare la velocità di raffreddamento/riscaldamento
a seconda della temperatura (asse y) la geometria del reticolo subisce delle variazioni
NB il gradiente di raffreddamento determina le autotensioni!
Dalla T più bassa alla più alta abbiamo:
α (BCC) -> γ (FCC) -> δ (BCC) -> fase liquida di Fe + C
Leghe
soluzione solida ottenuta:
- in modo casuale (inquinata) o intenzionale
- di tipo monofasica o polifasica
- attraverso sostituzione o interstizione
- con trattamenti termici (ISO/ANISOTERMO), meccanici (INCRUDIMENTO), termochimici (cementazione, nitrurazione)
ELEMENTI PROIBITI:
zolfo: nocivo e sensibile al calore
fosforo: fonte di fragilità
azoto: facilita l’invecchiamento
idrogeno: causa cricche e fish eye
ossigeno: terribile
Prestazioni meccaniche dei materiali
bisogna tener da conto
CHIMICA degli elementi costitutivi
TRATTAMENTI TERMICI a cui è stato sottoposto
GRADIENTE DI RAFFREDDAMENTO perchè determina il bordo dei grani
PROFILO -> nm = reticolo atomico
-> microm = grani, bordo di grani
Incrudimento
Processo di “assottigliamento” - ad esempio nel laminatoio si passa da 27,5 mm a 2,5 mm - eseguito a bassa temperatura.
La sollecitazione è “di taglio” e induce la SORGENTE DI FRANK READ: le dislocazioni si moltiplicano in piani di scorrimento distanziati.
http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par1.h20.gif
se gli atomi sono disposti in maniera regolare - all’equilibrio - allora le dislocazioni si muovono meglio: il grano di deforma facilmente e ottimizza la condizione energetica = 0 autotensioni MA basse prestazioni meccaniche
in caso contrario - trasformazione veloce fuori equilibrio - le dislocazioni (che invece si muovono lente) non riescono a realizzare il loro processo di migrazione: il grano si impacca = si incrudisce = aumenta la sua rigidità
Acciaio - classificazioni
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fmoodle2.units.it%2Fpluginfile.php%2F293334%2Fmod_folder%2Fcontent%2F0%2Fdiagr.%2520di%2520stato5-dispense.pdf%3Fforcedownload%3D1&psig=AOvVaw33HLvo-p59F842RXwzIj0n&ust=1649262296500000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjhxqFwoTCPit3oqr_fYCFQAAAAAdAAAAABAP
acciaio IPOEUTETTOIDICO C < 0,77%
acciaio EUTETTOIDICO C = 0,77%
acciaio IPEREUTETTOIDICO 0,77% < C < 2,11%
NB c’è un solo punto in cui il passaggio da γ a α è diretto (C = 0,77%, a 723°C); generalmente di lavora a 800° ( si ha α+γ in proporzione variabile a seconda di C%)
Difetti
I difetti trasformano e caratterizzano il materiale: sono indispensabili per conferire proprietà e prestazioni.
1) Lineari: dislocazione
l’incremento di S supera quello di H
2) Puntuali: interstiziali, puntuali
l’incremento di H supera (molto) quello di S
in prossimità dei bordi di grani o dei gradini ho le “vacanze reticolari”: alte percentuali sono conseguenza di
- rapido raffreddamento
- deformazioni plastiche/a freddo
- bombardamento ad alte energie
le vacanze sono mobili e favoriscono la diffusione allo stato solido
SCHOTTKY vacanze accoppiate
FRENKEL vacanze + interstiziali
I difetti modificano il tenore energetico
posso moltiplicarle con trattamenti quali l’incrudimento
oppure bloccarne la creazione attraverso affinamento del grano, alligazione, precipitazione
stima del modulo di Young
le interazioni atomiche decadono a 2r, mentre il picco di forza dovuto allo stretching dei legami è 0,25r
il valore di tensione massimo TEORICO è una funzione del modulo di young (E): 2σ = (E 0,25 r )/r –> σ = E/8
tuttavia è un’approssimazione eccessiva dal momento che bisogna considerare i difetti del materiale: infatti E è ALMENO 100 VOLTE INFERIORE A QUELLO TEORICO
Movimenti degli atomi nel reticolo ospite
1) interscambio atomico: riequilibrio energetico locale
2) diffusione solida: lenta e favorita dalle alte temperature; segue le leggi di Fick (Flusso = -D dc/dx ; dc/dt = d^2/dx^2 (D dc/dx) )
fa accumulare le impurezze dei grani verso il loro bordo, rendendo quest’ultimo sede di tensioni locali
http://www.chimdocet.it/solido/file7a.htm
nota:
G = H - T*S
H=Ed energia necessaria alla creazione di un difetto
se aumento i difetti aumenta l’entropia S, perciò l’energia libera G totale diminuisce
Dislocazione
Un intero “piano” si insinua nel reticolo; si origina stress (=energia), che è nocivo se non sono in grado di controllarlo ma al tempo stesso utile se so sfruttarlo.
A livello dello SLIP PLANE ho discontinuità energetica -> perchè ho maggiore densità energetica.
La struttura cerca di riadattarsi allargandosi: dove si insinua il cuneo ci sarà compressione, nella parte sottostante tensione; tuttavia non sarà possibile andare oltre il bordo di grano
dislocazione a spigolo (edge): http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par2.htm
se non c’è alcun difetto la dislocazione scorre fino al bordo di grano
se c’è difetto puntuale entra in gioco il “climb”
vettore b parallelo a direzione di slip ovvero perpendicolare a quella di dislocazione
dislocazione a vite (screw):
http://roby1968.altervista.org/doc_vari/deformazione_plastica/par2.ht
vettore b perpendicolare a direzione di slip ovvero parallela a quella di dislocazione
RICORDA: le dislocazioni si accumuleranno ai bordi di grano e lungo le interfacce di discontinuità energetica -> seguono l’evoluzione termica del reticolo
Trattamenti anisotermici
vengono applicati per ottenere migliori prestazioni meccaniche sfruttando:
- trasformazioni di fase
- variazione della dimensione dei reticoli
- presenza di ATOMI INTERSTIZIALI (se non ci sono allora non cambiano le sue proprietà)
- sollecitazioni interne (direttamente proporzionali alla severità di raffreddamento)
- raffreddamento fuori equilibrio -> strutture metastabili: MARTENSITE (struttura aghiforme molto compatta)
Trattare un materiale termicamente influenza il suo comportamento magnetico!
Tempra
trattamento anisotermico che consiste nel riscaldare e successivamente raffreddare, più o meno dolcemente, a seconda dell’elemento che raffredda (acqua più severa dell’olio)
Bonifica
Trattamento anisotermico costituito da una tempra a cui segue un rinvenimento (=ulteriore riscaldamento fatto per normalizzare la struttura interna, ma sotto la temperatura critica)
Saldatura
è un tipo di operazione che DISTURBA il materiale, perchè viene scaldato e poi raffreddato e quindi squilibrato nella sua struttura
questo vale sia unendo due pezzi direttamente, sia usando un secondo materiale saldante; è più difficile quanti più sono i leganti
https://decapaggio-passivazione.it/wp-content/uploads/2015/04/Metallurgia-della-Saldatura-schema.jpg
OTTIMA TECNICA: flusso di elettroni
Cementazione - dell’acciaio
la superficie viene arricchita (ad es con carbonio)
mi rimane la struttura tenace ma posso avere così una superficie più dura
si effettua attraverso una doppia tempra, di diversa profondità
NITRAZIONE: arricchimento superficiale di azoto -> sottile ma molto duro
Durezza
resistenza opposta dal materiale alla sua deformazione permanente da parte di un altro corpo
Rockwell: penetratore conico
Vickers: penetratore piramidale
Acciaio INOX
Utilizzi: infrastrutture, attrezzi medici, odontoiatrici, chirurgici; al massimo per viti di fissaggio/nails
Motivo: semplice sterilizzazione/pulizia
è autoprottettivo e autoportante
Svantaggi: è trombogenico; pesa il doppio rispetto al Ti, sensibile alla corrosione
Acciaio Inox 18/10 igienico basso grado di ritenzione batterica, destinato a sala operatoria NOTA BENE 18/10 = AISI 304 = X5 Cr Ni 18 10 acciaio inox, 18% Cr - 10% Ni; normativa internazionale AISI 304 ; secondo normativa americana 5% C
pessime proprietà meccaniche se preso da solo, perciò aggiungo altri elementi:
- Cr migliora resistenza a corrosione; CNS Cr>12%; allarga la zona α
- Ni è γ-stabilizzante e utile se devo fare trattamenti termici
- C deve essere basso perchè altrimenti crea carburi con il Cr = origine discontinuità + contrasto a corrosione
per ogni atomo di C se ne perdono 4 di Cr (vedi corrosione intergranulare)
nel grafico il massimo relativo si riferisce alla perdita di peso a causa della formazione di ossido = ruggine
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tali elementi sono TOSSICI
Ni: affine alle proteine delle cellule mitocondriali polmonari; i suoi composti promuovono la produzione dell’interleuchina
Cr: l’aggressività dipende dallo stato ossidativo, interagisce con DNA
Co: si accumula in reni fegato pancreas; causa fibroma polmonare
PASSIVAZIONE: spontanea formazione di ossido superficiale
ε > 0 non cambiano natura a contatto con l’esterno; sono già ossidati
ε < 0 quelle più lente arrugginiscono; quelle veloci (cioè tanto negative) ossidano quasi istantaneamente
nota: l’ossido NON è impermeabile!
Diagramma di Shaeffler
definisce le proprietà e le caratteristiche basali dell’INOX così come sono in partenza
https://ingegneria.narkive.it/JLhBzyHx/diagrammi-di-saldatura-schaeffler-de-long-e-wrc-quali-acciai-possono-essere-utilizzati:i.1.full
A. MARTENSINICI: induribili attraverso trattamenti termici (tempra, rinvenimento…)
A. FERRITICI: struttura stabile che prescinde dalla T
A. AUSTENITICI stabili a prescindere dalla T, hanno una migliore resistenza alla corrosione, sono gli unici che NON hanno risposta magnetica!!!
sono trattati con tempra di solubilizzazione (=precipitation hardening) e incrudimento
Titanio
materiale allotropico due strutture interne: α-HCP (fino a 882°) e β-BCC non comparabili
α, α+β sono saldabili
Ti CP, β non sono saldabili
β si avvicina di più all’osso: ha modulo di young (50 - 80 GPa) molto più basso di α (100 - 110 GPa)
si usano singolarmente oppure una lega bifasica
TARGET: lega robusta, elastica, OSTEOINDUTTIVA (perchè se l’osso non è stressato si ritira), prestazioni ADATTE (all’osso e alla sua sezione)
ha una densità a metà tra inox e leghe dell’Al
Inox: 8 g/cm^2
Ti: 4,54 g/cm^2
leghe: 2,5/2,7 g/cm^2
è leggero ma ha interessanti proprietà meccaniche:
- resistente alla corrosione: TiO2 lo rende resistente ad aggressioni chimiche -> industria chimica e di processo
- bassa densità e formabilità -> aeronautica e ind. biomedicale
- resistente alla fatica
ha la migliore BIOADESIONE, è BIOCOMPATIBILE (perchè le cellule vedono l’ossido di Ti), è meno costoso, il modulo di taglio è il più compatibile con i valori dell’osso -> non uso il materiale più prestante, ma quello con comportamento più simile all’osso (modulo di young)
Titanio commercialmente puro (CP)
utilizzato soprattutto in ambito dentale norma di riferimento: ISO 5832-2 : 2018 - minori caratteristiche meccaniche - ossidi superficiali di pregio - massima biocompatibilità - resistenza alla corrosione localizzata - si può lavorare con: stampa a caldo, macchine utensili - sensibile allo sfregamento - costo medio
Leghe α+β
norma di riferimento: ISO 5832-3 : 2016
- alte caratteristiche meccaniche
- buona compatibilità
- resistenza alla corrosione localizzata
- difficile a lavorarsi con macchine utensili, va bene stampa a caldo
- costo elevato
i due principali leganti sono
- ALLUMINIO α-stabilizzante
- VANADIO β-stabilizzante
Ossidi superficiali
Sono chiamati MATERIALI PASSIVANTI quelli che tendono ad autoproteggersi generando uno strato di ossido superficiale
con la formazione di ossidi le superfici cambiano ENERGETICAMENTE e GEOMETRICAMENTE
maggiore è il numero dei leganti, maggiore è il numero degli ossidi e quindi maggiore è la possibilità di innescare reazioni
lo spessore medio dell’ossido è circa 0,8 nm (Ti) / 2,4 nm (Ti in lega)
più è spesso, meno è adeso all’interfaccia metallica
la robustezza è inversamente proporzionale allo spessore
il modulo elastico è molto superiore al metallo
è uno strato poroso, paragonabile alla ceramica e:
- protegge il metallo
- riduce la dispersione ionica
- riduce la crescita batterica
- favorisce la bioadesione -> infatti si fanno trattamenti che seguono lo stesso principio: 1)trattamento superficiale che aumenta porosità oppure 2)ricopertura in idrossipatite (ceramica)
l’ossido NON è permeabile; possono esserci fratture locali, al cui interno si formano altri ossidi, perchè la parte attiva del metallo è di nuovo esposta -> autotensioni
modifica anche le proprietà elettriche
occorre analizzarlo rispetto:
- area di contatto
- natura fisica in relazione alla dimensione cellulare
- composizione chimica
determinano la BIOCOMPATIBILITA’
Ceramiche
natura Refrattaria: struttura porosa
natura Solidale/Compatta
Bioadesione
deve essere BILATERALE: la risposta deve essere da parte dell’osso ma anche da parte della protesi
sono favorevoli strutture POROSE - come ceramiche o strati di ossido
il coating di rivestimento quindi sarà un’interfase parzialmente organica e parzialmente inorganica
nei pazienti in cui l’osteoinduzione non attacca - ad es gli anziani - le protesi vengono cementate (dura più la cementazione del paziente)
Corrosione
può essere
GENERALIZZATA: problemi strutturali ridotti, problemi di biocompatibilità -magari dovuti a tossicità sistemica- da monitorare
LOCALIZZATA: posso avere un problema meccanico (rottura)
dall’avvicinamento di due materiali di natura metallica posso avere INQUINAMENTO IONICO
C. GALVANICA: indotta dall’‘avvicinamento di due metalli diversi; esiste una scala, e devo scegliere due metalli tra loro vicini
C. INTERGRANULARE: fra i grani si originano dei composti, fonte di discontinuità
ad esempio nell’INOX il C forma carburi con il Cr; soluzione:
1 rendere generalizzata la corrosione attraverso la SOLUBILIZZAZIONE -> ridistribuisce i precipitati
2 ridurre C
3 aggiungere Mo
4 aggiungere carburigeni che proteggono il Cr
i fattori che contribuiscono sono
° ambiente aggressivo in grado di abbassare il pH
° autotensioni e usura, che recano danni meccanici
ciò che determina una reazione di corrosione sono la natura del materiale, l’applicazione, le sostanze in gioco
trascurare la corrosione significa rischiare:
rotture -> discontinuità energetiche, dispersione di frammenti metallici
instabilità e indebolimento
tossicità sistemica
reazione locale non ottimale: il paziente sente dolore
perchè è stato male finora e adesso deve adattarsi?
o perchè la protesi ha recato OSTEOLISI (lavoro improprio)?
Biocompatibilità
è determinata dall’ossido che un dispositivo sviluppa, essendo quello a diretto contatto con l’ospite
Impalcato osseo
è costituito da ~206 ossa diverse per
* costituzione e struttura, dal momento che hanno diverse funzioni
* da persona a persona (alimentazione, sport, età)
perciò le tabelle di cui disponiamo mostrano diverse proprietà (modulo elastico, resistenza alle tensioni e alle compressioni)
tuttavia bisogna ricordare che tali valori ci danno solo un’idea, dal momento che non vediamo
°distinzione trabecolare/corticale
°età e abitudini del paziente
°modalità di estrazione
le protesi ossee si adattano al problema, nella geometria e nella scelta dei materiali
- frattura ossea
- problema articolare
l’osso è un organo in divenire, è una componente attiva: cresce e si struttura man mano (osteoblasti + osteoclasti); è ANISOTROPA (si comporta diversamente alle sollecitazioni, a seconda della direzione), costituita da una parte CORTICALE (esterna e spessa), con funzione protettiva, e una parte TRABECOLARE (interna e spugnosa), elastica e in grado di smaltire l’energia degli impatti
le percentuali delle due variano ovviamente da osso a osso e da persona a persona
il rapporto prestazione/massa è elevatissimo
un insieme di cellule indifferenziate viene prima vascolarizzata e successivamente differenziata
i domini trabecolari, crescendo, si allineano a contrastare i carichi: ciò è osservabile dalla sezione di un qualsiasi osso
invecchiando la parte organica diminuisce: viene meno la parte elastica perciò diminuisce il lavoro di frattura
nonostante la gravità sia verticale, la distribuzione dei carichi no: dipende dal punto di applicazione e dalla geometria (femore ≠ pilastro) -> avrò zone di trazione e di compressione
tuttavia la buona approssimazione che posso fare è quella di suddividere l’osso in sottodomini regolari e semplici
LEGGE DI WOLFF l’osso si adatta al carico
Osso corticale
L’osso è un organo complesso, già dalla base
le unità individuali che lo costituiscono sono gli OSTEONI, fatti di layer concentrici di tessuto osseo/collagene che fungono da “molla” = AMMORTIZZATORI, assorbono energia per frizione (twisting force); ci sarà il trabecolare a dissipar
ciò che rende la struttura robusta non è la massa ma il modo in cui la struttura è sviluppata rispetto alle sollecitazioni
infatti a seconda della direzione abbiamo diverso modulo elastico (può addirittura dimezzare) e differente resistenza a tensione/compressione (si adatta alla funzione)
Osso trabecolare
anche in questo caso abbiamo una struttura a lamelle
oltre alla direzione della sollecitazione, riesce a gestire la velocità del carico (ricordiamo che siamo fatti per camminare e correre!!)
Fratture (d’anca/femorali)
le fratture vengono identificate con una sequenza di lettere/numeri:
- # location es femore
- # segmento es prossimale
- L regione es regione trochenterica
- # tipo es frattura semplice
- # sottogruppo es in due parti
PROSSIMALE entro il raggio d’azione dell’articolazione in considerazione; sono le più diffuse
DISTALE lontano dal raggio d’azione dell’articolazione; spesso sono dovute a incidenti
Protesi d’anca
EMIARTROPLASTICA: viene mantenuto l’acetabolo, il resto è sostituito con una protesi
ARTROPLASTICA: la protesi sostituisce la testa del femore + acetabolo. Bisogna far attenzione che il paziente sia alto giusto
stelo+testa –> prevista osteoinduzione quindi coating ceramico e 0 viti
NAIL –> niente coating, servono viti per fissare la protesi, che sarà rimossa
vantaggio: meno usura (ma comunque osteolisi)
la protesi può essere inserita attraverso “press-fit” oppure con viti di fissaggio
le moderne protesi sono in contatto diretto nella zona prossimale, mentre quella distale rimane libera da sollecitazioni meccaniche (per evitare stress shield)
protesi a sezione QUADRATA: contatto con corticale, ma conservato tessuto vivo con vasi (se manca la parte viva l’osso muore)
interfaccia metallo-polimero: sollecitazione di taglio
interfaccia polimero-osso: adattamento meccanico -> il cemento si infiltra fra i buchi
possibili problemi: 1) necrosi dell’osso (per reazione esotermica) 2) viscosità ostacola infiltrazione 3) tra osso e metallo c’è l’ossido!!!
Protesi cementate / protesi non cementate
PROTESI CEMENTATE (PMMA)
per fissare coppa acetabolare / per fissare lo stelo protesico
funzione: fissa, spazia, isola
sono inserite sostanze radiopache
vantaggi: tollerano imprecisioni chirurgiche; il paziente è subito pronto
svantaggi: pericolo necrosi, cracking, difficile sostituzione
sollecitazioni dello stelo nella zona prossimale portano alla frammentazione del cemento e a conseguente mobilizzazione
PROTESI NON CEMENTATE
si cerca di raggiungere l’osteointegrazione mediante finiture superficiali in idrossipatite (HA), biovetri, irruvidimento (ad es con sabbiatura)
le velocità di costruzione dell’osso variano:
- nel tempo sono lente e curate
- la parte corticale/trabecolare si sviluppano con tempi diversi
- se bisogna riparare un danno (=emergenza) sarà veloce e malfatto
ciò andrà a influire sulle proprietà!
Acetabolo
se è il solo da sostituire, è meno invasivo
deve esserci il RESURFING = sostituisco la cartilagine (la “pista di scorrimento”)
l’accoppiamento “MORSE” è attraverso incastro per interferenza tra
- cavità divergente
- cono convergente
è la soluzione perfetta per attaccare lo stelo protesico allo snodo sferico - che prima era incollato
la geometria conta, perché occorre che l’area di contatto sia sufficientemente estesa da spargere l’usura - occorre un’interferenza ottimale.
coppa/testa grande ideale ma piccole differenze di dimensioni implicano notevoli differenze di usura
- metallo+metallo ok, soprattutto nel secolo scorso; ridotto volume di particolato (prodotto in particolare nei primi due anni dall’inserimento dell’impianto; fino a 50 volte in meno di metallo+PE), che però rilascia ioni–> sostanze utili per prestazioni meccaniche, ma tossiche (rischio infiammazione e inducono a OSTEOLISI)
- ceramica+metallo pericoloso, soprattutto in vista di carichi alti (rischio frattura); particolato ridotto
- ceramica+ceramica: valori di usura oltre 2000 volte minori rispetto agli altri due; tuttavia è intrinsecamente fragile e costosa. Se la scelta è questa occorre prevedere - e prevenire - l’usura del collo dello stelo –> non adatta a chi ha erosa la cavità pelvica (anziani) o a chi potrebbe facilmente arrivarci (giovane iperattivo) = pericolo IMPINGEMENT
in genere le coppe ceramiche sono cementate, ma tendono a scollarsi; inoltre sono molto rigide!
allora si inserisce una sovraccoppa metallica - in lega Cr/Co/Mo o in Ti, magari con coating ceramico, che può essere cementata o no - e fra le due viene messo un inserto di UHMWPE (per ridurre la rigidezza).
problema USURA inserto –> soluzioni:
1) teste femorali in ceramica 2) accoppiamento ceramica-ceramica o metallo-metallo 3) creazione di UHMWPE resistente all’usura
la testa di rotazione è sempre in lega/in Ti
lo stelo è in fibra di C: leggera ma rigida e facile da formare
Carichi (protesi ossee)
Lo scarico delle sollecitazioni - da parte dello stelo - è un grosso problema, perché se l’osso è
- sovraccaricato -> callo osseo
- sottocaricato -> si ritira
- carichi non allineati -> si sbilancia
STATICI: sono prevedibili e determinano il riassetto dell’impianto –> rigenerazione/degenerazione ossea, stress shield (vedi protesi d’anca)
DINAMICI: deambulatori (ciclici), traumi (imprevedibili)
RITARDATI: 1) cedimento dell’impianto a seguito di usura, tenso-corrosione, evento accidentale 2) involuzione degenerativa della condizione del paziente –> malattie e infiammazioni 3) osteolisi 4) crescita
Le viti possono rompersi a seguito di difetti nelle viti stesse, al sovraccarico, all’assunzione di farmaci osteoindurenti. Sono sottoposte a SOLLECITAZIONI DI TAGLIO e non a trazione.
conseguenze: mal posizionamento, disallineamento, problemi nella rimozione
Osteolisi
Il particolato originato dall’usura della protesi provoca l’osteolisi, ossia la demineralizzazione del tessuto osseo - con conseguente ritiro.
Più è ridotta la dimensione del particolato, maggiore è la superficie di reazione e quindi più potente la sua attività chimica.
Comporta problemi di stabilità e dolori.
O. NASCOSTA: quando la coppa acetabolare è metallica e non cementata, sulle lastre compare una “chiazza bianca”, che copre ogni indizio di avviata osteolisi
O. SILENTE: quando il processo è lento e ritardato
O. ESPANSIVA: il movimento ripetuto della protesi provoca un danno, il quale permette (e spinge come una pompa) al fluido particolato polimerico di passare; accumulandosi origina una cisti ossea, originando infiammazione e ritiro osseo
Effetto leva e STRESS SHIELD
ci sono tensioni SULLA protesi, dovute a geometria/materiale, e DA PARTE della protesi (effetto leva)
è fondamentale l’area attraverso cui la protesi riesce a scaricare l’energia, ma deve essere bilanciata con la lunghezza (causa dell’effetto LEVA)
infatti la protesi “raccoglie tutta l’energia”, di conseguenza nella zona prossimale c’è scarico ma nella zona distale c’è extracarico –> rischio frattura perchè l’osso è maggiormente denso (STRESS SHIELD)
Ceramica
Rigidezza: modulo di young 380 GPa
Resistente alla corrosione (dipende però dal coating, dimensione dei grani, passivazione)
Biocompatibile: meno reazioni allergiche, meno tossicità (ma non eliminabile, nessun materiale è inerte!)
Stabili: non si degradano nel tempo
Idrofilicità: consentono lubrificazione migliore
MA
Intrinsecamente fragile: a seconda della posizione/orientazione si spacca di brutto
Fallimento degli impianti
Inox: grani non omogenei Co: porosità di colata Ti: usura per sfregamento corrosione intergranulare, fessura difetti di fabbricazione: materiale sbagliato, geometria inadatta chirurgo incapace
Polimeri
I polimeri sono monomeri che con l’aiuto di iniziatori, catalizzatori, additivi, che favoriscono la reazione chimica, creano legami covalenti (molto energetici) per raggiungere la forma più stabile.
Le strutture possono essere ramificate o lineari, randomiche o ordinate; le combinazioni diverse conferiscono caratteristiche diverse.
Allo stesso modo vengono modificate le proprietà meccaniche con:
°temperatura/velocità di deformazione
°intrecciamento e formazione di legami
°trafilatura (~incrudimento metalli; rende anisotrope le proprietà meccaniche)
°melting (taglia legami intermolecolari)
°trattamenti termici
Le zone amorfe possono essere intervallate da zone cristalline; assieme alla morfologia molecolare determinano il modulo elastico.
TERMOPLASTICO: possono essere riutilizzati non riciclati!!! ovvero rimessi a svolgere la stessa funzione (=economia circolare). Se riscaldati si rompono i legami deboli e si riformano i legami forti: si modifica la forma ma non la struttura interna
ne fanno parte i polimeri di addizione e di condensazione
TERMOINDURENTE: elastomeri con cross links; polimerizzando prende forma in modo irreversibile. Il polimero deve essere distrutto prima di essere ristampato
P. FRAGILE: comportamento elastico (lineare); dopo poco stiramento si rompe.
P. PLASTICO: prima ha una trasformazione elastica, poi plastica
ELASTOMERO: necessita di cross-links per essere resistente alla trasformazione plastica; amorfi, possono essere allungati di molto, per poi tornare alla lunghezza originaria
P. VISCOELASTICI: oltre al comportamento elastico c’è anche quello viscoso; è il comportamento caratteristico di tutti i tessuti
https://www.amse.it/wp-content/uploads/2020/09/Prova-di-trazione-sui-polimeri_Amse_01.jpg
TATTICITA’:
organizzazione dei gruppi caratterizzanti
più ordinata è tale organzzazione, più è facile riarrangiare le catene in una forma cristallina
-isotattica: tutti i gruppi sono allineati sullo stesso lato
-sindiotattica: i gruppi sono alternati
-atattica: disposizione randomica
laddove esistono zone cristalline la densità è modificata, ci sarà discontinuità energetica e le prestazioni meccaniche diminuiscono.
Sono tanti i materiali, pochi quelli certificati ed effettivamente utilizzati: in tutti i medical grade si cerca di ridurre al minimo i radicali liberi ma anche catalizzatori e acceleratori (che rendono “mine” tali molecole)
Sono molto sensibili all’INVECCHIAMENTO: varia la struttura molecolare e conseguentemente le prestazioni meccaniche e la dissipazione dell’energia.
Tuttavia sono utilizzati perché MOLTO AFFINI ai tessuti BIO, sia per modulo elastico, sia per forza tensionale
I settori di applicazione sono
*chirurgia (plastica, tendinea, estetica)
*ortopedia
*cardiologia
PE
può essere a bassa densità o alta densità
nel primo caso assorbe lipidi e perde forza tensionale
nel secondo caso (UHMWPE) è inerte, poco incline al deterioramento
PMMA: è idrofobico, duro, rigido, biostabile, amorfo, fa passare la luce
Modifica della catena polimerica
RICORDA: ogni modifica mira al raggiungimento di una struttura a minor tenore energetico = maggiore stabilità
POLI-ADDIZIONE: prolungamento della catena attraverso legame con monomeri “aperti”
POLI-CONDENSAZIONE: giunzione di due molecole con scarto di una molecola di H2O
VULCANIZZAZIONE: con la compartecipazione di composti dello zolfo, creazione -irreversibile- ad alta temperatura di connessioni (cross-links) che permettono la reversibilità delle deformazioni plastiche. Accresce modulo elastico (proporzionale ai cross-links), resistenza alla tensione e all’ossidazione
NOTA troppi cross-links riducono l’estensibilità
Biocompatibilità
Capacità di un materiale di esibire una appropriata risposta biologica in specifiche applicazioni; è una nozione relativa alle SUPERFICI, suggerisce la presenza di un’interazione (dall’oggetto all’organismo, dall’organismo all’oggetto, interazione sistemica) ma non suggerisce se è buona o cattiva: tossicità infiammazione infezione, usura corrosione, sistemica.
è DINAMICA dal momento che varia con l’età, con la variazione dei carichi, se l’usura/la corrosione/l’invecchiamento modifica i materiali
I parametri da considerare sono:
Materiale: chimica di base di superficie e bulk; energia superficiale; degradazione
Dispositivo: dimensione, forma, modulo elastico, rigidità
Ospite: età, condizione, patologie
Sistema posizionamento: biodegradabile, tecniche operative
i polimeri naturali, ad esempio si usano laddove è necessaria un’interazione: suture, emostasi, cosmetica, controllo ferite… non sopportano però trasformazioni termiche/della forma
Biomateriali: scaffolds
Materiali pensati per interagire con sistemi biologici (costituiti da cellule).
Necessità:
- PROPRIETA’: materiali iperelastici (quanto più si deformano, tanto più si irrigidiscono); viscoelastici; poroelastici (irrorato da fluido e resistente alla deformazione).
- NECESSITA’ BIO: numero di cellule da nutrire
Lo SCAFFOLD è una struttura temporanea di supporto alla generazione cellulare; dopo la degradazione sarà infatti bio-riassorbito.
- -> d.superficiale: da esterno a interno; tipica dei materiali idrofobici, è la migliore perchè è mantenuta la scala e la forma
- -> d.massiva: ugualmente da esterno e da interno; è tipica dei materiali idrofilici (l’assorbimento di acqua è più veloce della degradazione in materiale idrosolubile)
la DEGRADAZIONE (da costituenti non idrosolubili allo stato idrosolubile =bioerosione) avviene attraverso la rottura di legami: I. taglio di crosslinks II. taglio di gruppi laterali III. taglio della catena centrale
Risulta fondamentale il suo utilizzo nel caso di danni grandi e a rischio cicatrici, che può realizzarsi attraverso una RIGENERAZIONE INDOTTA = blocco delle contrazioni (muscolari) + sintesi di tessuto
Il suo impiego è lecito in zone in cui è presente autorigenerazione cellulare (sì ossa/pelle, no cartilagine), che dipende dall’età (crescendo diminuisce) e dalla riparazione; risulta fondamentale la superficie esposta, perciò saranno strutture porose aperte con proprietà superficiali ideali (che piacciono alle cellule)
lunghezza di percorso critica: distanza limite che può essere utilizzata per navigazione cellulare efficace e allo stesso tempo mantenere rimozione dello scarto
quali materiali (sintetici o naturali)? generalmente si utilizzano PLA, PGA, PLGA. quali cellule (già differenziate o staminali)? quale bioreattore (in vitro o paziente)?
Tissue engineering
Si pone un’impalcatura che permette al tessuto di rigenerarsi, più velocemente rispetto al processo naturale, nella giusta direzione; spesso è prodotta attraverso la stampa 3D (per il Mg no)
A) SCELTA DEL MATERIALE *polimeri non assorbibili--> ceramiche *polimeri assorbibili--> naturali (ottima interazione ma difficili da stampare) come proteine e polisaccaridi, sintetici (ottime proprietà meccaniche ma bassa interazione) come PLA PGA PLC PHB, compositi o minerali naturali (soprattutto per applicazioni ossee) B) SCELTA DELLE CELLULE C)REGOLATORI SOLUBILI
POROSITA’: varia in funzione della ferita e del tipo di cellule tissutali
REQUISITI di tipo *cellulare*: -biocompatibilità -biodegradabilità -struttura interconnessa aperta di tipo *meccanico*: -proprietà meccaniche appropriate -interazione chimica e topografica altro: -autonomia: deve funzionare da solo senza alcun apporto esterno di energia
Più che mai sono importanti i MEDICAL GRADE: il dispositivo si dissolve completamente nel paziente!
Guai se è tossico o se interferisce con farmaci!
Porosità - dello Scaffold
Permette di centuplicare la superficie su cui le cellule colonizzano/trasportano
è desiderabile per diffusione di nutrienti, rimozione scarti, vascolarizzazione
La struttura, ordinata o disordinata che sia, dovrà essere OMOGENEA, per evitare fratture; tale requisito non si ottiene facilmente se uso un composito polimero-ceramica schiumoso.
NOTA
se lo scaffold non si degrada, la porosità potrebbe venir meno in seguito a invasione di tessuto fibroso e adsorbimento non specifico di proteine sulla superficie
Bioreattori
Ambiente di coltura chiuso che permette di abilitare il controllo di una o più variabili che inducono processi biologici.
è necessario per far maturare lo scaffold, contenente cellule, farmaci, fattori bioattivi
Può essere una struttura esterna o il paziente stesso.
Abbiamo un sistema CHIUSO: una cella di lavoro contiene gli scaffolds; attraverso i vasi del bioreattore viene pompato un liquido - che promuove la crescita cellulare e tiene sotto controllo T, pO2 , pH, [C6H12O6] - all’interno della cella. I vasi sono permeabili a certi gas che possono quindi uscire.
Possono essere statici (contenitori) o dinamici (con un fluido in movimento), meccanici o magnetici, a rotazione o eccentrici.
I migliori sono quelli a perfusione, che attraverso il passaggio forzato, fa sì che ogni parte dello scaffold venga interessata.
Biodegradabilità
Un elemento si trasforma in qualcos’altro, ma non si sa dopo che cosa diventa!!!
I parametri che descrivono la biodegradabilità sono
1) struttura molecolare: lunghezza catena, ramificazioni, tatticità
2) stato di aggregazione/cristallizzazione: crist. o amorfa
3) condizione bulk: fibra, film, composito
4) stato superficiale: porosità, distribuzione/dimensione dei pori
5) interazione fase liquida: equilibrio idrofilico/idrofobico
aspetti tecnici: deve essere fatto su misura per la cellula, che deve proliferare, differenziare, migrare
quindi deve essere concepito in MICROSCALA e deve comunicare a livello NANOMETRICO
Soprattutto, il tempo previsto di degradazione deve essere compatibile con il tempo necessario alla guarigione.
Bioassorbimento, BioRIassorbimento, Bioerodibile
nell’ordine:
Dissoluzione nei liquidi corporei senza perdita di massa
Capacità di eliminazione senza intervento artificiale: la molecola è riassorbita/metabolizzata in vivo (no side effects)
Erosione dovuta a liquidi biologici: riflette degradazione, riassorbimento ed eliminazione via degradazione superficiale (no side effects)
Scaffold acellulare
Integrità meccanica pazzesca ma scarsa affinità con le cellule.
1) fiber meshes: le fibre sono combinate in strutture 3D. V: ampia porosità e facile produzione; S: bassa stabilità
2) fiber bonding: le fibre costituiscono una rete interconnessa. V: ampia porosità; S: non adatto a tutti i polimeri, può rimanere del solvente
3) phase separation: il polimero e il solvente in soluzione vengono separati con innalzamenti/abbassamenti di temperatura. S: non si può controllare la morfologia, può rimanere del solvente
4) Solvent casting and particulate leaching: particelle minerali/organiche vengono disperse in soluzione polimerica, successivamente il solvente viene eliminato. V: la più porosa di tutte; S: può rimanere del solvente
5) Melt molding:
Superfici
Ridotta frazione di un materiale, idealmente è una linea di spessore infinitesimo (c.ca 10 microm)
Rappresenta la regione del transitorio, in cui troviamo lo scambio degli stati di materia: non esiste una linea netta, ma un’interfase dalla condizione energetica intermedia e dalla rigidezza differente.
Nel bulk avremo una disposizione meno compatta che in superficie, dove a corto raggio c’è uno pseudo-ordine (in verità non esiste ordine superficiale, soprattutto con le alte temperature).
MODIFICAZIONI DELLA SUPERFICIE:
1) chimica/fisica alterazione di atomi e molecole 2) overcoating 3) creazione di textures/patterns
Infatti l’inquinamento, l’adsorbimento etc portano alla modifica dello stato superficiale –> Ebulk sarà sempre diversa da Esup!!
La superficie è DINAMICA, c’è sempre qualcosa che sale/qualcosa che scende (e non necessariamente la stessa sostanza); potrebbe non essere omogenea (verifica attraverso fascio di luce, che in tal caso sarà diffusa) quindi avere variazioni di energia superficiale = squilibri termodinamici, mirano al raggiungimento del minimo energetico
Si parla di
ENERGIA SUPERFICIALE se è riferita a un solido, e si calcola attraverso la misura dell’angolo di contatto con l’equazione di Young: cos θ = γsv - γls / γlv
nota: posso sapere la differenza tra γsv e γls ma non il loro preciso valore
TENSIONE SUPERFICIALE se è riferita a un liquido, non può essere calcolata con l’angolo di contatto ma con γ = δG / δA
La TENSIONE SUPERFICIALE è la quantità di energia necessaria ad incrementare l’area superficiale del liquido
Se questa cambia allora cambiano le interazioni con l’esterno; la tensione superficiale alta ostacola l’ingresso in porosità: potrei aver bisogno di tensio-attivi.
Possiamo trovare le problematiche di usura, corrosione, adesione, lubrificazione, tossicità…
Equazione di Young
cos θ = γsv - γls / γlv
vale se:
la superficie è totalmente rigida ~ materiale perfetto
il liquido è puro
non ho particolari interazioni aggressive
non ci sono squilibri energetici (di T, K)
non ci sono trasformazioni delle componenti
la gravità ha un effetto limitato –> solo se goccia è submillimetrica (attenzione all’evaporazione!)
Assorbimento e Adsorbimento
Assorbimento: quando un materiale ha la caratteristica di reagire a livello massivo (coinvolge il BULK) con l’ambiente es. swelling dei polimeri
Adsorbimento: fenomeno esotermico dinamico SUPERFICIALE nanometrico che consiste nella modifica dovuta al passaggio esterno -> superficie
il substrato è la base, l’adsorbato ciò che viene trattenuto
FISIADSORBIMENTO: una molecola è attratta dal gradiente energetico della superficie. Trattenuta temporaneamente da forze di Van der Waals, a largo raggio e aspecifico (poco selettivo), a bassa energia, T bassa.
Può formare multilayyers.
Il calore di fisiadsorbimento è paragonabile a quello di condensazione
Seguono:
*desorbimento
*degradazione
*vincolamento
CHEMIOADSORBIMENTO: permanente e ad alta energia - le forze in gioco sono legami chimici veri e propri - e piuttosto selettivo, che può portare alla scomposizione della molecola, quindi alla creazione di nuovi atomi -> cambia la reattività della superficie
Limitato a monolayers.
Il calore di chemioadsorbimento è paragonabile a quello di reazione
Liquidi: l’acqua
Il legame che tiene assieme le molecole d’acqua è il legame H, un tipo di interazione dipolo-dipolo debole che però
a) conferisce particolari proprietà (Tevapo=100°C, ghiaccio I, II, III, interconnessione continua: non esiste una struttura ordinata o stabile!!)
b) fa sopravvivere all’energia che la farebbe evaporare
diagramma punto triplo
Energia interna
è associata al moto casuale e disordinato delle molecole in un sistema, che dipende dalla massa e dalla temperatura; è calcolata a livello
ATOMICO–> contributo cinetico, rotazionale, vibrazionale
MOLECOLARE–> forze intermolecolari
La temperatura è un indice che suggerisce come è dispersa l’energia interna, perchè posso capire quanta energia mi serve per innalzare di un grado il mio oggetto.
Il primo principio della termodinamica afferma che
ΔU = Q - W
con U energia interna, Q calore dato al sistema, W lavoro fatto dal sistema
potenziali termodinamici disegno
Angolo di contatto
Misura sperimentale dell’angolo tra una goccia e una superficie, indice dell’interazione tra materiale e ospite; attraverso l’angolo di contatto posso calcolare l’ENERGIA superficiale.
Logicamente dipende sia dal solido, sia dal liquido, e in particolare dall’energia superficiale:
- solidi covalenti, ionici, metallici: alte energie superficiali (500-5000 ergs/cm2)
- solidi molecolari, polimeri: basse energie superficiali (50 ergs/cm2)
Quando ho un piano inclinato chiamo
- angolo di AVANZAMENTO quello maggiore, nella direzione di discesa della goccia
- angolo di RECESSIONE quello minore, nella parte opposta
ACCORGIMENTI per la misura: bisogna osservare velocemente per evitare
- l’avanzamento di fenomeni come capillarità o modifica dello stato tensionale (che porterebbero a un alterato angolo)
- inquinamento
- effetti cinetici
- spreading
Applicazioni dentali
** immagine del perno **
il perno viene avvitato all’osso; crescendo, l’osso fissa l’impianto. Il foro laterale è necessario alla rimozione del materiale di scarto. La parte superiore e quella inferiore sono diverse, dal momento che vanno a contatto con osso corticale/trabecolare.
L’osso sintetico stimola la generazione ossea ed è gradualmente riassorbito.
La corona può essere in bioceramiche a base di fosfato di calcio, oro, leghe in titanio, zirconia.
Ci sono diversi tipi di impianti, che vanno ad adattarsi ad ogni caso:
le filettature incidono su stabilità, facilità di rimozione e scarico osseo: un filetto ampio permette una buona presa; gli impianti “endossei” (a lama) sono una buona soluzione laddove non è possibile forare l’osso (come nei casi di osteoporosi); gli impianti “sub-periostei” vanno addirittura sotto alla gengiva, viene poi montata l’intera arcata.
Tutto viene trattato con procedimenti e con materiale che lo rendono OSTEOINDUTTIVO.
L’elemento più usato è il Ti CP: ne esistono 4 gradi, dal I con minor tenore di O2 e grande duttilità, al IV con maggior tenore di O2 e bassa duttilità. I gradi III e IV sono sfruttati per impianti in necessità di osteosintesi (tipo nel caso di fratture) ma evitati nel caso di sostituzione di protesi artticolari.
NB esistono 29 (e forse più) Ti grades, ma solo i primi quattro sono Ti CP!!!
Il Ti viene trattato con idrossipatite (HA), fluoropatite (FA), carbonato di Calcio (CaCO3), fosfato di calcio ( Ca3(PO4)2 ), con tecniche differenti: sabbiatura, plasma spray, mordenzatura.
Compatibilità BIOLOGICA (stabilità a dissoluzione) e MECCANICA (geometria, qualità)
Prima di posizionare un impianto si valutano i. quantità di tessuto osseo ii. qualità del tessuto osseo iii. densità del tessuto osseo (volOsso / volTessuto)
La stabilità varia nel tempo:
STABILITA’ PRIMARIA: l’impianto è correttamente vincolato perchè appena inserito; tuttavia lo stress lo induce a ritirarsi, così come l’azione dei macrofagi, che puliscono la zona tra l’impianto e il substrato osseo; parte l’osteogenesi
STABILITA’ SECONDARIA: la crescita biologica aumenta la stabilità: l’osteogenesi si completa.
solo alla fine di questa fase il dentista può montare la corona sull’impianto!
CHIRURGIA PIEZOELETTRICA: lavorando con onde ultrasoniche a bassa frequenza (in linea con la natura dell’osso) non danneggio i nervi e lascio l’osso più “pulito” (=minore danno corticale)
