Le bio- ceramiche sono un sottotipo importante di materiale biocompatibile . Sono materiali ceramici biocompatibili, che sono specificamente progettati per essere utilizzati nella produzione di impianti chirurgici, protesi e organi artificiali, nonché per soddisfare una determinata funzione fisiologica nel corpo umano che è la base fondamentale di un materiale biocompatibile. 1

Tipi di bioceramica

Considerando la sua attività chimica nell’organismo umano, vengono considerati due tipi di bioceramica: bioinert e bioattiva. 1

  • Il bioinerte sono quelli bind non chimicamente o biologicamente con il tessuto, quindi, il corpo non può assorbire e quindi non produce alcuna reazione allergia o laterale. Sono completamente biocompatibili, resistenti alla corrosione e non – tossico. Allumina e zirconia sono esempi di tali materiali. 2
  • Il bioattivo sono quelli che hanno una reattività con tessuto vivente, come vetroceramica e idrossiapatite.

Bioceramica inerte

  • Allumina : la purezza dell’allumina dipende dal sistema di produzione impiegato. Per la produzione di impianti, lo standard ASTM richiede una purezza del 99,5% con un contenuto massimo di SiO 2 combinato con ossidi alcalini (principalmente Na 2O) inferiore all’1%. L’allumina è stata utilizzata con successo per lo sviluppo di impianti, come teste di femore, componenti articolari e impianti dentali. Poiché è consuetudine ottenere per sinterizzazione, la porosità gioca un ruolo molto importante nelle proprietà meccaniche. Esiste una relazione tra porosità e granulometria, in modo tale che quando la porosità scende al di sotto del 2%, la dimensione del grano cresce di solito considerevolmente. L’allumina è anche molto dura ed è possibile ottenere durezze tra 20 e 30 GPa. Questa elevata purezza unita a basse proprietà di frizione lo rendono un materiale ideale per le protesi articolari, nonostante la sua fragilità e le difficoltà di fabbricazione. 4
  • Zirconia : L’interessel’uso di zirconia ceramica come biomateriale è la sua elevata stabilità chimica e dimensionale, ottima resistenza meccanica e tenacità alla frattura e il valore del modulo di Young dello stesso ordine di grandezza di leghe di acciaio inossidabile . La ceramica zirconia supera la limitazione che aveva la ceramica di allumina per quanto riguarda tenacità e resistenza alla flessione. La policristallino tetragonale zirconia (TZP) viene raffinatomicrostruttura granulare, che non è stabile, ma l’aggiunta di piccole quantità di ossidi stabilizzanti quali Y 2 O 3o MgO, in questo caso parliamo di Y-TZP o Mg-TZP, stabilizziamo l’ossido di zirconio tetragonale policristallino. L’applicazione biomedica più importante dei materiali in zirconia è stata la produzione di teste femorali e la produzione di impianti dentali. 4

Bioceramica attiva

  • Idrossiapatite (HAP) conformula empirica Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , è il principale minerale dell’osso, circa il 43% in peso. appare anche nei denti: in smalto e dentina(tessuto intermedio, più morbido dello smalto). È il secondo tessuto più duro del corpo. È giallastro e il suo alto grado di elasticità protegge lo smalto soprastante dalle fratture. I suoi vantaggi sono che è stabile e biocompatibile. La loro forza relativamente bassa e la loro durezza hanno portato i ricercatori a rifiutarlo come un biomateriale quando indagavano su pezzi di idrossiapatite pura. Oggi è usato come tale in molti impianti protesici sotto forma di un film sottile che copre la protesi, l’uso è stato esteso completamente nelle protesi dell’anca. Le altre applicazioni di idrossiapatite sono come i compositi, che saranno visti più tardi. L’idrossiapatite è considerata una bioceramica bioattiva riassorbibile.
  • Calcio fosfato (TCP): chiamato anche fosfato tricalcico (quindi TCP). È stato usato come bioceramico negli anni ’20, la sua formula molecolare è Ca 3 (PO 4 ) 2 , e oggi è usato solo in combinazione con HAP. Entrambi i composti hanno una struttura cristallina esagonale e il loro rapporto Ca / P non è molto diverso. Un bioceramica bioattivo è stato considerato perché, come PAH, produce osteogenesi 5
  • Vitroceramica: tutti sono occhiali , la cui composizione li rende accomunati da un elemento base: il SiO 4- . Ci sono due vitrocerámicas che sono stati sviluppati in modo molto simile ai biomateriali: Bioglass® e Ceravital®. L’uso di questi è dovuto più alle loro proprietà chimiche che fisiche: hanno una bassa dilatazione termicaMa le loro proprietà meccaniche sono inferiori a quelli previsti bioinerte allumina o altri materiali ceramici. La reattività chimica di vetroceramica bioattivi fa con i tessuti molli e duri quando la composizione di queste ceramiche è opportunamente selezionata. Così, essi possono essere suddivisi in due categorie (A e B) rispetto alla bioattività. Gruppo A appartengono vetroceramiche che una volta incorporati nel paziente aiutano il processo di rigenerazione dell’osso chiamata osteoinduzione (il ruolo di questo gruppo è aiutare come matrice riassorbimento degli osteoclasti intorno ad esso, causando l’osso per rigenerare dove incorpora questa ceramica). Appartengono alla ceramica di vetro del gruppo B che aiutano nella osteoconduzione (che si differenzia dalla precedente in quanto il processo è più lento e prolungato e le cellule ossee non creano nuove ossa intorno, ma sostituiscono il materiale con nuovo osso). A causa di queste proprietà chimiche, che si verificano sulla superficie del biomateriale (all’interfaccia biomateriale-tessuto), vengono utilizzate come protesi dentarie e ortopediche. Queste proprietà chimiche si trovano anche nella PAH.6
  • Compositi : materiali compositi (compositi in inglese), contengono 2 o più materiali o fasi costituenti differenti, che sono in grado di agire sinergicamenteper dare proprietà superiori a quelle stabilite da ciascun componente separatamente. I materiali biologici naturali tendono ad essere compositi (ad esempio: ossa, legno, dentina, cartilagine, pelle …). Ogni costituente del materiale composito deve essere biocompatibile e l’interfaccia tra i costituenti non deve essere degradata una volta incorporata nel paziente dal loro organismo. Le proprietà del materiale dipenderanno dalle proprietà dei componenti del materiale composito. Se si utilizzano due ceramiche inerti, che di solito sono molto resistenti, si ottiene un materiale più resistente rispetto ai materiali di partenza. Esempio: Al 2 O 3 / ZrO 2, la cui struttura di allumina è corindone. Se si desidera un materiale resistente pur avendo proprietà bioattive, si hanno i materiali compositi HAP / allumina, tra gli altri. Infine, se due materiali con proprietà bioattive vengono miscelati, il biomateriale risultante combina le proprietà fisico-chimiche di entrambi. L’esempio: HAP / TCP / Collagene: è una ceramica bifasica (le cui due fasi sono: idrossiapatite e fosfato di calcio) e collagene (un polimero naturale costituito da aminoacidi, cioè una proteina). Il collagene è la matrice che contiene la ceramica (come accade nelle ossa naturali). 7
  • Nanocompositi :È un materiale multifase solido in cui una delle fasi ha una, due o tre dimensioni inferiori a 100 nm. Nel senso più ampio, questa definizione può includere mezzi porosi, colloidi, gel e copolimeri. Le proprietà elettrochimiche, meccaniche, elettriche, termiche … dei nanocompositi differiscono notevolmente da quelle dei materiali costitutivi. I nanomateriali composti differiscono dai compositi convenzionali a causa del rapporto eccezionalmente alto tra la superficie e il volume della fase dispersa nella matrice. L’area dell’interfaccia tra la fase della matrice e il rinforzo è in genere un ordine di grandezza superiore rispetto ai compositi convenzionali.

Applicazioni

Protesi d’anca in titanio, con testata in ceramica e impugnatura in polietilene

Per quanto riguarda le applicazioni mediche, costituiscono un interessante campo di ricerca e sviluppo per l’ottenimento di utili biomateriali nella produzione e nella fissazione di protesi ossee e dentali. 7

I requisiti che la bioceramica deve soddisfare per uso medico sono i seguenti:

  1. Essere compatibile, cioè, deve essere accettato dall’organismo, non lo fa sviluppare sistemi di rigetto in presenza di bioceramiche.
  2. Non essere tossico, né cancerogeno.
  3. Chimicamente stabile e inerte.
  4. Avere un’adeguata resistenza meccanica
  5. Avere un’adeguata resistenza alla fatica
  6. Avere una densità e un peso adeguati
  7. Avere un design ingegneristico perfetto, un impianto di dimensioni e forma adeguate.
  8. Relativamente economico, riproducibile e facile da produrre e trattare per la produzione su larga scala.

Vantaggi e svantaggi della bioceramica

Per quanto riguarda i vantaggi: hanno una bassa reattività chimica quindi sono generalmente inerti e biocompatibili; aderire ai tessuti; avere resistenza alla corrosione, compressione e usura; e migliora la qualità della vita del paziente. Ma nonostante i loro vantaggi hanno anche degli inconvenienti: hanno fratture prima degli sforzi ad alto impatto; bassa resistenza alla tensione; fabbricazione difficile; bassa resistenza meccanica; carattere rigido e fragile che limita il suo uso in quelle applicazioni che devono sopportare grandi carichi e richiedono anche alte temperature di sinterizzazione. 7

Riferimenti

Bibliografia

  1. ↑ Vai a:un b F. Shackelford, James (1999). Bioceramica . Taylor e Francis. ISBN  9789056996123 .
  2. Torna all’inizio↑ P. Ducheyne, GW Hastings (editors) (1984) CRC metal e ceramic biomaterials vol 1 ISBN 0-8493-6261-X
  3. Torna all’inizio↑ Gitzen, Walter H. (1980). Allumina come materiale ceramico . ISBN  978-0-916094-46-1 .
  4. ↑ Vai a:un b Marti, A. (2000). «Bioceramica inerte (Al2O3, ZrO2) per applicazione medica.» . Lesione (31): D33-D36,.
  5. Torna all’inizio↑ Albee, Fred; Morrison Harold (gennaio 1920). «Studi sulla crescita ossea: triplo fosfato di calcio come stimolo all’osteogenesi» . Annali di Chirurgia 71 : 32-39.
  6. Torna in cima↑ Blenckè, BA (maggio 1978). «Compatibilità e stabilità a lungo termine degli impianti di vetro-ceramica». Journal of Biomedical Materials Research 12 : 307-316. doi : 10.1002 / jbm.820120305 .
  7. ↑ Vai a:un c . Ravaglioli, A; Krajewski, A. (1992). Bioceramica: materiali, proprietà e applicazioni . Chapman e Hall. p. 431. ISBN  9780412349607 .