Materiali e rivestimenti innovativi per applicazioni biomedicali (innovative coatings and materials for biomedical applications)

Nell’ambiente del corpo umano, molti materiali avanzati e leghe metalliche non possono essere attualmente utilizzati a causa della loro composizione, della loro resistenza chimica o delle loro proprietà meccaniche. È infatti ben noto che un gran numero di elementi chimici, e in particolare Antimonio, Arsenico, Bario, Berillio, Cadmio, Cromo esavalente, Piombo, Mercurio, Osmio, Tallio e Vanadio sono considerati tossici per il corpo umano e quindi la loro presenza negli impianti protesici e/o nei componenti a contatto temporaneo deve essere evitata. Altri elementi, come il Nickel, possono essere responsabili di risposte infiammatorie in pazienti sensibili o allergici. L’Alluminio non ha ruolo biologico e la sua classificazione tra i metalli tossici è controversa. Effetti tossici e accumulo sono stati infatti osservati in pazienti con problemi renali. Comunque, individui con reni sani possono essere esposti a grandi quantità di alluminio senza conseguenze. Recentemente, la sindrome di Haltzaimer è stata correlate con elevate percentuali di Alluminio depositate nel cervello. La maggior parte degli altri elementi possono avere effetti tossici quando la loro concentrazione supera alcuni valori, elementi come Ferro, Zinco, Rame e Fluoro. Per questa ragione, solo una limitata gamma di materiali può essere attualmente utilizzata per la produzione di componenti biomedicali. Le principali leghe metalliche usate in campo biomedicale sono: - Acciai inossidabili AISI 316L and 316LVM. Per via della loro eccellente resistenza alla corrosione accoppiata a buone proprietà meccaniche, il 316 è largamente utilizzato per impianti chirurgici (sia temporanei che permanenti) e strumentari, dispositive medici ed equipaggiamenti; - Acciaio inossidabile AISI 630. Un buon compresso tra resistenza meccanica e a corrosione, l’AISI 630 è usato spesso per strumentari e equipaggiamenti per contatto temporaneo; - Acciaio inossidabile AISI 420. Grazie alla sua buona resistenza meccanica e alla mediocre resistenza a corrosione, l’AISI 420 è usato spesso per lame chirurgiche; - CoCrWNi (F90), CoNiCrMo (F562). Leghe di cobalto usate per la loro resistenza ad usura e l’elevata resistenza a corrosione, anche se la loro densità e il loro modulo di Young sono molto più alti rispetto al tessuto osseo e alle leghe di titanio; - Ti-6Al-4V (Grade 5), Ti6Al7Nb. Leghe di titanio alpha/beta, quasi-beta e beta sono usate per la loro alta biocompatibilità accoppiata con buone proprietà meccaniche. Alcuni elementi costituenti, come l’alluminio, sono considerati potenzialmente pericolosi per l’uomo, ma le leghe di titanio non causano forti rilasci di ioni pericolosi nell’organismo; - Pure Titanium (Grade 2 & 4). Gradi di titanio puro, usati per la loro elevata biocompatibilità anche se la loro resistenza meccanica è fortemente compromessa dall’assenza di fasi secondarie. Un recente uso di interesse per il titanio Grado 2 è per componenti modellabili in-situ che possono essere facilmente adattati al paziente dal chirurgo durante l’operazione. In questa tesi, le proprietà superficiali di differenti leghe biomedicali sono state studiate e modificate su due scale differenti utilizzando moderne tecnologie, con l’intenzione di raggiungere due obiettivi: Parte I: Strutture trabecolari per migliorare l’osteointegrazione degli impianti prostetici. In questa parte del lavoro, strutture trabecolari a differente diametro delle porosità, realizzate in Titanio Grado 2 e Titanio Grado 5 e con morfologie differenti, sono state caratterizzate completamente per valutarne l’applicabilità negli impianti protesici. Utilizzando diverse tecniche si sono valutate le proprietà morfologiche, la porosità, il diametro medio dei pori. Sono state misurate le proprietà meccaniche di resistenza a trazione e compressione e il modulo elastico, confrontato poi con i valori di letteratura per l’osso trabecolare e corticale. Nell’ultima fase del lavoro è stato inoltre misurato il coefficiente di attrito contro tessuto osseo bovino e simulato per dimostrare la elevate stabilità degli impianti protesici rivestiti con le strutture trabecolari durante le operazioni chirurgiche, grazie alla loro morfologia e alla compenetrazione localizzata tra struttura e tessuto osseo, sotto la pressione dei carichi biologici e del precarico esercitato in fase chirurgica. Parte II: Coating nanometrici ottenuti per Atomic Layer Deposition. In questa parte, rivestimenti nanometrici con spessore totale tra i 10 e i 280 nm sono stati applicati attraverso Atomic Layer Deposition (ALD) e studiati tramite Microscopia a Forza Atomica, sulla superficie e all’interfaccia tra zone rivestite e non, per determinare la morfologia, la difettosità e lo spessore totale. È stata inoltre utilizzata la tecnica Scanning Kelvin Probe Force Microscopy per determinare le proprietà elettrochimiche dei differenti strati ALD e confrontare gli effetti delle differenti composizioni. La tecnica Glow Discharge Optical Emission Spectrometry è stata inoltre utilizzata sia per determinare lo spessore che la composizione degli strati, grazie alla possibilità di ottenere profilo di composizione con una risoluzione di 2 nm. Sono state effettuate Curve di Polarizzazione per determinare la densità di corrente di corrosione e l’effetto barriera dato dai rivestimenti ALD per ciascuna differente configurazione. Sono state usate inoltre indentazioni Vickers per determinare la resistenza alla delaminazione dei rivestimenti e per fornire un metodo veloce e affidabile per confrontare I diversi rivestimenti. L’obiettivo principale del lavoro è stato valutare la possibilità di utilizzare coating ALD per aumentare la resistenza a corrosione dei componenti biomedicali in acciaio AISI 316 L e in particolare valutare la possibile industrializzazione del processo. Allo scopo di fornire rivestimenti ALD adatti alla produzione industriale, lo spessore dei rivestimenti è stato fortemente ridotto (fino a 10 nm) per ridurre I tempi di deposizione e quindi i costi di produzione relativi