Biomateriali Metallici, breve panoramica

Definizione di Biomateriale:

Materiale che si intende interfacciare con i sistemi biologici con lo scopo di valutare, monitorare, trattare, accrescere, sostituire o facilitare la rigenerazione di ogni tessuto, organo o funzione del corpo

(Satellite Consensus Conference, 2005)

(immagine priva di copyright di una protesi d'anca, dalle dimensioni parrebbe di quelle non cementate, un po' vecchiotta. Bella eh? La parte allungata viene inserita direttamente nel canale diafisario del femore. Inizialmente scavano con un trapano, poi ce la piantano letteralmente dentro a martellate. Non invecchiate mai.)

In campo biomedico i materiali metallici sono usati per una buona varietà di applicazioni un molteplici settori della medicina. 

Tra queste vi sono il campo odontoiatrico, in cui alcuni metalli possono venire utilizzati per impianti osteointegrati, parti di protesi o fili ortodontici, oppure in campo ccardiovascolare come supporto per valvole cardiache, prima a palla e in seguito a disco oscillante.

Il settore in cui trovano, ad oggi almeno, un'applicazione più frequente è senza dubbio alcuno quello ortopedico, come sostituzione permanente di parti di tessuto osseo, o come mezzi di osteosintesi, vale a dire impianti temporanei (permanenza media nel corpo 6-12 mesi) necessari per fissare due estremità ossee a seguito di una frattura.

I requisiti a cui un buon biomateriale metallico non può prescindere sono:

1) Buona biocompatibilità, vale a dire :  La capacità di un biomateriale di svolgere la propria funzione senza ostacolare i processi fisiologici o riparativi del corpo umano.

2) Proprietà meccaniche adatte allo scopo.

3) Limitato rilascio di detriti da usura.

4)Buona resistenza alla corrosione.

Il corpo umano infatti presenta un ambiente interno molto aggressivo, ne consegue che gli unici materiali che non subiscono alcuna corrosione sono gli elementi nobili, come per esempio l'oro, il quale tuttavia non risulta essere adatto per via delle basse proprietà meccaniche.

I metalli che riecono a racchiudere in modo più o meno soddisfacente tutte queste caratteristiche sono ad oggi l'acciaio, il titanio e le sue lege, ed infine le leghe del cromo.

Nel resto dell'articolo ne vedremo brevemente una per una.

L'acciaio:

L'acciaio è una lega metallica formata prevalentemente da ferro-carbonio-cromo, che presenta elevate proprietà meccaniche e una buona resistenza alla corrosione per tenori di cromo maggiori del 12%.

Come ben saprete viene utilizzato in una molteplicità di campi, anche grazie ad una relativa facilità di lavorazione.

Nel settore biomedico viene spesso utilizzato sia per impianti temporanei, sia per strumenti chirurgici, a seconda della sua configurazione atomica.

(impianto di osteosintesi temporaneo. L'oggetto incredibilmente radiopaco che vedete è l'impianto in acciaio, quello leggermente in trasucenza potrebbe essere la vostra clavicola. Immagine libera da copyright.) 

L'acciaio infatti può assumere diverse conformazioni, in funzione della composizione e della temperatura.

L'acciaio di tipo mertensitico  è una forma allotropica dell'acciaio che presenta delle ottime proprietà meccanicche, ed è quindi quella prediletta per la strumentazione a scopi medico chirurgici, e si ottiene raffreddando in modo tempestivo la fase austenitica.

L'elevata rigidità e durezza tuttavia comporta una maggiore fragilità, di conseguenza sono previsti ulteriori trattamenti termici al fine di ottenere un giusto compromesso

La configurazione austenitica, tipica delle temperature più alte, presenta una migliore resistenza alla corrosione soprattutto se addizionata con azoto e molibdeno, ed è quindi quella prediletta per gli impianti.

Le proprietà meccaniche possono essere potenziate tramite incrudimento, vale a dire una deformazione plastica a freddo, che modifica la conformazione atomica sfruttando i difetti lineari presenti nella struttura cristallina del metallo .

Per esistere a temperatura ambiente, l'acciaio austenitico deve per forza di cose essere stabilizzato tramite l'aggiunta di nichel, materiale che può, in taluni casi, dare reazioni allergiche all'organismo.

Una delle sue principali debolezze del materiale, presente in tutte le sue forme risulta essere la suscettibilità alla corrosione in fessura, vale a dire un incremento esponenziale del fenomeno corrosivo in presenza di accoppiamenti conici.

Leghe di cobalto (cromo-cobalto-molibdeno)

Sono leghe molto dure e resistenti, con una discreta biocompatibilità, molto rigide e resistenti alla corrosione, il che le rende buone candidate per gli steli delle protesi d'anca cementate e le testine femorali.

(protesi in lega di cobalto. Le grandi dimensioni aiutano ad interfacciarsi col cemento osseo al fine di minimizzare gli sforzi di taglio, e di conseguenza la sua fratturazione e rilascio di dietriti nell'organismo. Immagine libera da copyright)

Uno dei principali limiti è la bassa lavorabilità e il costo estremamente elevato.

Inoltre, nel caso di leghe a getti, la presenza di imperfezioni nella matrice potrebbe rendere il materiale soggetto a rotture per fatica meccanica.

Il Titanio e le sue leghe.

Il titanio è il quarto elemento sulla crosta terreste, utilizzato in molteplici campi.

Nell'ambito biomedico le caratteristiche per cui fu preso in considerazione sono la tenacia (assorbe tanta energia meccanica prima di rompersi), la rigidezza adeguata, l'elevata biocompatibilità, soprattutto del titanio puro, la capacità di passivarsi.

Quest'ultima caratteristica consiste nel rivestirsi automaticamente di un film di ossido protettivo che ricopre la superficie e la scherma da ulteriori fenomeni ossidativi.

I problemi di questo metallo sono la difficoltà di lavorazione per getti, a causa della facilità di contaminazione, e di deformazione a freddo e a caldo.

Attualemtne la sua versione pura viene utilizzata in impianti in cui non è richiesta un elevata biocompatibilità ma non una resistenza meccanica elevata.

Leghe:

Per quanto risultino essere meno biocompatibili del titanio puro, le migliori proprietà meccaniche le rendono spesso preferibili per talune applicazioni.

Le leghe di titanio più utilizzate sono quelle alfa-beta (in lettere greche).

Queste ultime infatti riassumono in modo soddisfacente i vantaggi delle due configurazioni.

Alfa:(aggiunta di alluminio, ossigeno,azoto) lega duttile e salfabile.

Beta (vanadio, cromo,ferro, niobio): dura e fragile.

(Immagine libera da copyright. Capsule in titanio, con trattamento superficiale atto a favorire una corretta osteointegrazione. Forse farò un post in merito in futuro)

Le leghe di titanio trovano numerose applicazioni in ambito ortopedico, anche grazie ad una rigidità del materiale relativamente contenuta (110 GPA) che le rende ottime candidate per protesi d'anca non cementate, in quanto una rigidità eccessiva tende a concentrare tutto il peso sulla protesi, causando quindi riassorbimento

Attualmente la lega di titanio più utilizzata, cioè quella Ti6Al4V è quella formata da, appunto titanio, alluminio (stabilizzante alfa) e vanadio (stabilizzante beta).

Di recente è stato sospettato a seguito di alcune analisi in vitro che il vanadio postesse avere un leggero effetto citotossico, e di conseguenza si stanno sperimentando altre leghe.

Questo è tutto, quello che avevo da dire,grazie a tutti per l'attenzione.