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Biomateriali metallici
• acciai inossidabili austenitici
• titanio e leghe a base titanio
• leghe a base cobalto
• altri metalli e leghe
leghe nichel-titanio
amalgami
leghe di magnesio
leghe di tantalio
oro e leghe d'oro
metalli e leghe del gruppo del Pt (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru ed Os)
Applicazioni
Leghe metalliche Si definisce lega metallica una miscela solida mono o
polifasica composta da 2 o più elementi di cui almeno uno,
l’elemento principale, è un metallo. Si distingue tra leghe
monofacisiche e leghe bifasiche.
Esempi: Acciai (leghe Fe-C con tra 0.06% e 2.06 %C), Ghise
(leghe Fe-C con tra 2.06% e 6.67 %C), Bronzo (leghe Cu-Sn),
Ottone (leghe Cu-Zn).
Leghe Combinazione di atomi, ioni o molecole a formare un materiale
le cui proprietà differiscono da quelle dei costituenti (o componenti).
Difetti in materiali metallici
Struttura di leghe metalliche
Classificazioni di leghe
metalliche
Tipologie di acciai
Polimorfismo o allotropia
Forme allotropiche del ferro
Diagramma Fe-C
Gli acciai inossidabili, pur rappresentando solo il 2 % della produzione totale di acciaio, costituiscono per la loro particolare resistenza alla corrosione una della classi di acciaio di maggiore interesse tecnologico.
Gli acciai inossidabili austenitici sono essenzialmente leghe ferro-carbonio-cromo-nichel caratterizzate da un’ ottima resistenza alla corrosione garantita dalla presenza di un tenore minimo di cromo del 12% per effetto della formazione sulla superficie del metallo di uno strato sottile (film) di ossido di cromo.
Gli acciai inossidabili, tra tutti i materiali metallici, sono attualmente quelli maggiormente impiegati in campo biomedico sia per il costo contenuto che per le facilità di lavorazione.
Acciai inossidabili austenitici
Dispositivi temporanei di osteosintesi Stabilizzatore esterno modulare (SEM)
Applicazioni AISI 316 L
Dispositivi temporanei di osteosintesi Chiodo omerale
Gli acciai inox contengono
•elementi volutamente aggiunti durante il processo di fabbricazione per migliorarne la qualità e che
sarebbe inutile rimuovere. Manganese e Silicio sono aggiunti durante la fabbricazione per le loro
proprietà deossigenanti e desolforanti. Il Mn annulla o riduce gli effetti negativi dello S, formando il
solfuro che viene poi eliminato nel corso del processo di produzione. Il Mn in eccesso
forma il carburo misto (Fe, Mn)3C. Il Si in eccesso a quello che forma l’ossido (SiO2), anche esso
eliminato in fase di produzione, si ritrova in soluzione solida, migliorando le caratteristiche resistenziali
senza peggiorare eccessivamente la duttilità.
•elementi sempre presenti come impurezze e non eliminabili (Zolfo, Posforo)
Impurezze provenienti dai minerali usati nella produzione dell’acciaio e quindi sempre presenti nel
prodotto finale.
•inclusioni interstiziali non metalliche (Idrogeno, Azoto)
La presenza di questi elementi causano un drastico decadimento della duttilità.
•elementi volutamente aggiunti per migliorare alcune proprietà
:
elementi che ampliano il campo di esistenza della soluzione solida g:
Ni, Mn, Co, Ru, Rh, Pd, As, Ir, Pt (a campo aperto) e C, N, Cu, Zn, Au (a campo chiuso)
elementi che restringono il campo di esistenza della soluzione solida g:
Cr, Mo, W, Al, Si, P, Ti, V, Be, Sn, Sb, S, B, Ta, Zr, Nb, Ce, O
In particolare, nel caso di acciai Fe-Cr-Ni, la presenza in lega di Cr tende a stabilizzare la fase ferritica, le
cui proprietà meccaniche sono inferiori a quella austenitica. Per contrastare questo effetto si aggiunge in
lega anche Ni in grado di stabilizzare la fase austenitica.
Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche
Diagramma Fe-Cr
Diagramma Fe-Cr-0.6%C
Diagramma Fe-Ni
Le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione di un
materiale metallico dipendono da:
Composizione
Tecnologia di lavorazione
Trattamento termico
Trattamento termico Insieme di operazioni che consiste in:
• riscaldamento ad una temperatura opportuna;
• mantenimento a temperatura per il tempo necessario
affinche avvengano le trasformazioni desiderate;
• raffreddamento con velocità e modalità diverse in
relazione al tipo di trattamento.
Obiettivo:
modificare la microstrutura e le proprietà di resistenza alla corrosione
Principali trattamenti termici
• Ricottura (annealing)
• Tempra
• Rinvenimento
Effetti della ricottura sulla microstruttura e sulle proprietà
meccaniche di un metallo deformato a freddo
Tecnologie di formatura e lavorazione di materiali metallici
• Fonderia
• Lavorazione plastica
• Metallurgia delle polveri
Laminazione
Estrusione
Forgiatura
Trafilatura
Laminazione
Proprietà meccaniche
Prove meccaniche
• prova di trazione
• prova di compressione
• prova di piegamento
• prova di durezza
• prova di fatica
• prova di creep
Indurimento di materiali metallci
Modulo di Young (E)
Carico di snervamento, resistenza a trazione, allungamento % a rottura
La caratteristica saliente di questa lega è la resistenza alla corrosione in ambiente
clorurato che dipende dalla composizione del bulk e dall’ossido superficiale.
Le proprietà meccaniche di questo materiale dipendono strettamente dal
processo di fabbricazione.
Poiché questo materiale indurisce molto rapidamente, il materiale è prodotto in fonderia
mediante la tecnica di fusione a cera persa.
Mediante metallurgia delle polveri (PM, powder metallurgy) utilizzando la pressatura
isostatica a caldo (HIP, hot isostatic pressing) si ottengono leghe con proprietà
meccaniche nettamente superiori.
Leghe di Cobalto
ASTM F75
Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche
Polimorfismo o allotropia
Fusione a cera persa
Metallurgia delle polveri
ASTM F799
ASTM F90
ASTM F562 (MP35N) Lega costituita principalmente da Co e Ni con quantità significative di Cr e Mo.
L’acronimo MP si riferisce alla presenza di fasi multiple (multiple phases).
La combinazione lavorazione a freddo ed opportuni trattamenti termici produce una
microstruttura multifasica costituita di grani CFC in cui sono disperse sottili lamelle EC
tra le quali è presente Co3Mo come precipitato. La famiglia delle leghe MP35N è tra
le più resistenti disponibili per la realizzazione di impianti biomedicali. Lega forgiabile a caldo....
Leghe di Co contenenti anche W e Ni. La presenza in lega di questi elementi
consente di migliorare la lavorabilità del materiale. Allo stato ricotto le proprietà
meccaniche sono confrontabili a quelle di F75, il materiale incrudito al 44% presenta
proprietà meccaniche nettamente migliori.
Getto di lega forgiata a 800 °C. Come risulta dalla Tabella le proprietà meccaniche
incrementano notevolmente rispetto alla F75.
Applicazioni
Il Ti (numero atomico 22, densità 4.51 g/cm3, p.f. 1668 °C) è un elemento allotropico,
può cioè esistere in più forme cristalline. La fase stabile a temperatura ambiente ha
struttura esagonale compatta (EC), ed è anche detta fase a. Al di sopra di 883 °C si
trasforma nella struttura cubica a corpo centrato (CCC), detta fase b.
Titanio
Il Ti è un metallo molto reattivo, quindi si ossida se esposto a specie contenenti
ossigeno. La resistenza alla corrosione del Ti deriva dalla formazione di uno
strato solido ossidico di spessore di 5-20 nm. Il film superficiale, costituito
principalmente da biossido di titanio (TiO2), essendo compatto, duro, aderente,
protettivo e chimicamente molto stabile assicura una eccellente resistenza alla
corrosione.
La combinazione di attributi ottimali di resistenza alla corrosione in ambiente
fisiologico, biocompatibilità e caratteristiche meccaniche, le applicazioni di
successo di Ti e leghe di Ti in impianti biomedici è indiscutibile. Il limite alla
diffusione di leghe di titanio è rappresentato dall’ alto costo dei pezzi finiti, almeno
un ordine di grandezza superiore a quello dell’acciaio inossidabile.
Polimorfismo o allotropia
Leghe di titanio Le leghe di titanio si suddividono quindi in leghe a, leghe a-b e leghe b in relazione
al tenore relativo degli elementi di lega a-geni o b-geni.
Al, O, ed N stabilizzano la fase a,
Nb, Mo, Ta, Cr, Fe e V stabilizzano la fase b.
Scegliendo composizioni opportune si ottengono leghe bifasiche a-b.
Leghe di titanio a
ISO 5832-2 Ti-CP. (ASTM F 76)
Esistono 4 gradi approvati per applicazioni biomedicali, in base
principalmente al diverso contenuto di ossigeno.
Leghe di titanio a-b non contenenti vanadio
ISO 5832-10 Ti5Al2.5Fe
ISO 5832-11 Ti6Al7Nb
Leghe di titanio a-b
ISO 5832-3 Ti6Al4V (ASTM F136)
ISO…..Ti12Mo6Zr2Fe
ISO…..Ti15Mo5Zr3Al
ISO…..Ti13Nb13Zr
ISO…..Ti30Nb
ISO…..Ti30Ta
Leghe di titanio b
Tabelle Composizione e Proprietà Meccaniche
Ti CP (lega a)
Diagramma binario Ti/Al
Diagramma binario Ti/V
Ti6Al4V (lega a-b)
Ti6Al7Nb (lega a-b)
Durezza
Leghe b
TMZF (Ti-12Mo-6Zr-2Fe):stelo femorale (Hipstar, Stryker)
Ti-15 Mo: chirurgia spinale, osteosintesi, applicazioni cardiovascolari
Forme e specifiche mediche sono riportate in dettaglio in una serie di specifiche
nazionali ed internazionali, che includono gli esempi ASTM e BS7252/ISO 5832:
ASTM BS/ISO Indicazione della lega/leghe
F67 Part 2 Titanio non in lega - CP Grades 1 - 4
(ASTM F1341 specifica il filo
metallico)
F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI lavorata plasticamente
(ASTM F620 specifica forgiatura
ELI)
F1472 Part 3 Ti-6Al-4V grado standard (SG) lavorata plasticamente
(F1108 specifica la fusione SG)
F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb lavorata plasticamente
- Part 10 Ti-5Al-2.5Fe lavorata plasticamente
F1580 - CP andTi6Al-4V SG polveri per rivestimento di impianti
F1713 - Ti-13Nb-13Zr lavorata plasticamente
F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe lavorata plasticamente
Applicazioni
Ti e leghe di titanio sono anche ampiamente utilizzate per:
stent intravascolari
valvole cardiache meccaniche
involucri di pace-maker
(dispositivi permanenti di osteosintesi, steli femorali)
Placca femorale,
chiodo intramidollare
(Ti6Al4V)
Archetti di Titanio CP
Stelo femorale retto da cementare
(Ti6Al4V)
Cranioplastica
(Ti CP) Valvola cardiaca meccanica
Stent intravascolare
Proprietà di alcune leghe metalliche per applicazioni ortopediche
Materiali metallici standardizzati ISO
Tipo Sigla ISO Composizione chimica (%) R (MPa) Rs (MPa) Acciai inossidabili AISI 316L 5832-1 D Fe=resto, Cr=17-19, Ni=13-15, Mo=2,25-3,5, N<0,10 690-1100 190-690 AISI 317L 5832-1 E Fe=resto, Cr=17-19, Ni=14-16, Mo=2,35-4,2, N=0,1-0,2 800-1100 285-690 alto N 5832-9 Fe=resto, Cr=19,5-22, Ni=9-11, Mo=2-3, Mn=2-4,25, N=0,25-0,5 740-1800 430-n.d. Leghe di cobalto per getti 5832-4 Co=resto, Cr=26,5-30, Mo=4,5-7, Ni<2,5 665 450 semilavorate 5832-5 Co=resto, Cr=19-21, W=14-16, Ni=9-11 860 310 5832-6 Co=resto, Ni=33-37, Cr=19-21, Mo=9-10,5 800-1200 300-1000 5832-7 Co=39-42, Cr=18,5-21,5, Ni=15-18, Mo=6,5-7,5, Fe=resto 950-1450 450-1300 5832-8 Co=resto, Ni=15-25, Cr=18-22, Mo=3-4, W=3-4, Fe=4-6 600-1580 275-1310 5832-12 Co=resto, Cr=26-30, Mo=5-7, Ni<1 750-1172 550-827 Titanio e leghe di titanio titanio puro 5832-2 G1 Ti=resto, O<0,18 240 170 5832-2 G2 Ti=resto, O<0,25 345 230 5832-2 G3 Ti=resto, O<0,35 450 300 5832-2 G4 Ti=resto, O<0,45 550-680 440-520 Ti6Al4V 5832-3 Ti=resto, Al=5,5-6,75, V=3,5-4,5 860 780 Ti5Al2,5Fe 5832-10 Ti=resto, Al=4,5-5,5, Fe=2,5-3 900 800 Ti7Al8Nb 5832-11 Ti=resto, Al=5,5-6,75, Nb=6,5-7,5 900 800
Modulo di Young
Resistenza specifica