CARATTERISTICHE
sfrutta un legame ionico e un legame covalente.
Sono composti dall’unione di materiali metallici e non metallici
PROPRIETA’
elevata variabilità: la composizione chimica delle polveri, le fasi al confine dei grani, la microstruttura, la forma, la dimensione e la distribuzione dei grani influiscono sulle proprietà dei materiali.
E’ un materiale fragile.
Elevata temperatura di fusione.
Bassa conducibilità termica ed elettrica.
PRO
biocompatibilità, chimicamente inerti (non modificano chimicamente l’ambiente circostante), elevata resistenza alla compressione e alla corrosione, bassa frizione (attrito)
CONTRO
elevate temperature di sinterizzazione (per formare i materiali a partire dalle polveri).
Elevato costo, vi è una difficoltà di produzione in serie.
Fragilità: impossibilità di utilizzarlo come componente meccanica, ma solo come additivo o rivestimento.
TIPI DI CERAMICI
- ceramici tradizionali: sono formati da minerale argilloso, cemento e vetro;
- ceramici avanzati: sono prodotti sinteticamente da materie prime (materiali inorganici non metallici).
STRUTTURA FISICA
- stato solido: gli atomi spesso sono disposti in gruppi che si possono ripetere periodicamente formando aggregati policristallini mentre, in alcuni casi, possono presentarsi amorfi o monocristallini.
- legami: La struttura della cella elementare, a causa della presenza di due o più elementi legati da legami ionici o covalenti, dipende dal rapporto tra i raggi ionici degli elementi costituenti. La percentuale di legame ionico influenza prevalentemente la struttura cristallina del materiale.
Il prodotto ceramico può essere espresso come AmXn, dove: - A=elemento metallico;
- X=elemento non metallico.
Il rapporto Ra/Rx = Rmetallo/Rnon metallo, definisce la struttura cristallina.
STRUTTURA CRISTALLINA
- cubica;
- cubica a facce centrate CFC (posizione interstiziale ottaedrica o tetraedrica);
- esagonale compatta EC.
COMPORTAMENTO MECCANICO
in generale, i materiali ceramici presentano difficoltà nella lavorazione plastica dovuta alla loro fragilità.
Il processo tecnologico per la produzione di manufatti in materiali ceramici è la sinterizzazione, che consiste nel conglobare insieme polveri che, sottoposte ad alte temperature, si legano grazie a fenomeni di diffusione atomica allo stato solido.
In base alla composizione del materiale si ha un comportamento diverso nel piano deformazione-tensione: i materiali ceramici lavorano molto bene in compressione e meno in trazione.
- stress»_space; strain: forti ma non duri;
- stress circa strain: forti e duri;
- strain «_space;strain: né forti né duri.
SCALA DI MOHS
la scala di Mohs della durezza di un materiale è una scala qualitativa, che caratterizza la resistenza alla scalfitura di vari minerali attraverso l’abilità di un materiale più duro di scalfire un materiale più morbido. Ossia è un test della scalfitura fatto con un materiale di riferimento: in base a quale dei due viene scalfito si capisce qual è il materiale più duro.
in particolare, si ha che il primo materiale della scala (talco) viene scalfito da tutti gli altri, l’ultimo (diamante) da nessuno.
TEST DI VICKERS
è un test quantitativo. Il principio alla base è quello di osservare l’abilità di un materiale di resistere alle deformazioni plastiche.
Si utilizza un tastatore, nella cui punta è inserito un materiale duro (es. diamante) e la cui punta è eseguita in modo tale da formare un certo angolo theta.
Applicando una certa forza, il materiale risponde con una deformazione plastica.
BIOMATERIALI CERAMICI
uno dei maggiori utilizzi in campo biomedicale è la sostituzione di un tessuto rigido.
I bioceramici più utilizzati sono ossido di alluminio, idrossiapatite, beta-tricalcio fosfto, vetro bioattivo e carbone pirolitico.
Applicazioni principali:
- campo ortopedico: protesi articolari;
- campo ortodentistico: denti artificiali;
- campo maxillofacciale: impalcatura ossea;
- campo otolaringoiatrico: segmenti dell’orecchio;
- campo cardiovascolare: valvole cardiache.
CLASSIFICAZIONE BIOCERAMICI
- ceramici bioinerti: non inducono né subiscono alterazioni chimiche o biologiche;
- ceramici bioattivi: stimolano una reazione inducendo processi chimici e biologici all’interfaccia;
- ceramici bioassorbibili: materiali in grado di riassorbire (metabolizzare) ciò che hanno intorno.
MATERIALI CERAMICI BIOINERTI
sono materiali che non inducono né subiscono alterazioni chimiche o biologiche dovute al contatto con l’ambiente biologico.
Un esempio è l’allumina: è il ceramico bioinerte per eccellenza a causa della sua composizione (bassa concentrazione di ossidi di metalli alcalini e silice).
- applicazioni: è utilizzato per la sostituzione di tessuti duri in campo ortopedico, maxillofacciale e odontoiatrico (l’alluminia ha stabilità dimensionale e alte proprietà tribologiche che inducono il rimodellamento dell’osso per stabilizzare l’impianto).
PRO:
- inerzia chimica nei confronti dei fluidi biologici;
- alta resistenza alla compressione, forza e durezza;
- basso coefficiente di attrito;
- biocompatibilità;
- bioattività: stimola l’impianto a condurre un rimodellamento osseo che favorisca la stabilità meccanica dell’impianto stesso nel tempo;
- favorisce una buona osteointegrazione.
CONTRO:
- ha comportamento fragile: può essere usato solo come additivo o come rivestimento;
- può essere soggetto a usura: se il rivestimento viene lesionato si liberano dei grani.
MATERIALI CERAMICI BIOATTIVI
la loro particolare struttura stimola:
- reazioni positive per l’ambiente biologico dell’ambiente in cui è impiantato;
- reazioni chimiche che cambiano il materiale.
Possiamo distinguere ceramici:
- intrinsecamente bioattivi = bioceramiche: le reazioni chimiche o biologiche sono dovute alla loro composizione chimica;
- bioattivi indotti = biovetri: le reazioni chimiche e biologiche sono dovute all’aggiunta di farmaci o altri elementi.
CERAMICI INTRINSECAMENTE BIOATTIVI - BIOCERAMICHE
le reazioni chimiche e biologiche sono dovute alla loro composizione chimica.
Il fosfato di calcio (idrossiapatite) è il principale ceramico bioattivo.
In base al rapporto Ca/P, H2O, impurità e temperatura varia il grado di cristallizzazione, ad esempio:
- idrossiapatite: ambiente umido e temperatura sotto i 900°C;
- tricalcio fosfato: ambiente secco e temperatura sopra i 900°C.
Entrambi i biomateriali sono altamente compatibili e possono interagire con i tessuti rigidi.
IDROSSIAPATITE
l’idrossiapatite è la bioceramica più utilizzata avendo caratteristiche chimico-strutturali molto simili a quelle della componente minerale dell’osso (osso artificiale) e del dente.
Ha una struttura policristallina esagonale e si trova già in forma naturale presente nelle ossa.
Possiede un’eccellente biocompatibilità in quanto è capace di formare legami con tessuti duri: quando viene usato come additivo a una protesi, l’osso riconosce tale materiale e avvia un processo di penetrazione di sostanze organiche (OSTEOINTEGRAZIONE). Questo processo avviene solo per uno spessore modesto, in quanto l’idrossiapatite artificiale ha grani tondeggianti ed è quindi più compatta di quella naturale (HA artificiale = grani rotondeggianti; HA naturale = grani schiacciati).
Questa differenza tra naturale e artificiale è utile nell’ingegneria tissutale per capire come lavora la porzione artificiale nel lungo periodo.
Esempio di applicazione: ossa timpaniche.
CERAMICI BIOATTIVI INDOTTI - BIOVETRI
sono materiali di per sé chimicamente inerti; le reazioni chimiche o biologiche sono dovute all’aggiunta di farmaci o altri elementi.
Il biovetro è un vetro che ha una struttura policristallina.
Esempio: vetro fotosensibile con oro, argento o bronzo che sono soggetti a precipitazione chimica per azione della luce ultravioletta.
Spesso vengono utilizzati come addizionanti di materiali polimerici: i biovetri aumentano la resa della protesi perché aumenta l’adesione e stimola la formazione di nuovo tessuto osseo.
PRO:
- bassa dilatazione termica, bassa usura;
- permettono un’alta adesione con i tessuti duri;
- stimolano la formazione di nuovo tessuto osseo.
CONTRO:
- comportamento fragile, quindi non adatto a carichi elevati (può essere usato solo come additivo).
CERAMICI BIOASSORBIBILI
sono materiali capaci di riassorbire (metabolizzare) ciò che hanno intorno.
ALTRI MATERIALI
- ossido di titanio: usato per cemento osseo e come interfaccia col sangue;
- diossido di bario: implementa la fissazione dell’impianto osseo;
- combinazione di alluminio di calcio e tricalcio fosfato: migliora la naturale formazione ossea ed è biodegradabile.
PROBLEMI CON BIOMATERIALI CERAMICI
- punto di vista meccanico: lo spessore degli strati può provocare crepe e fori di spillo;
- punto di vista chimico: l’elevata cristallinità è più stabile ma meno attiva;
- punto di vista della lavorazione: la temperatura di riscaldamento può modificare la composizione del materiale.
