BIOMATERIALI(ingegneria biomedica) Prof: Giovanni Valdr Email: giovannivaldre@unibo.it

ASPETTI GENERALI (Cap1)La tecnologia nasce dallesigenza di trasformare i materiali e di combinarli fra loro in modo da ottenere una forma finale che li renda oggetti finiti destinati a funzioni specifiche. Lottenimento di un prodotto finito lobiettivo ultimo conseguibile dalle trasformazioni tecnologiche dei materiali. Biomateriale: (def generica 1982) ogni sostanza o combinazione di sostanze , diversa da un farmaco, di origine sintetica o naturale, che pu essere impiegata per qualsiasi periodo di tempo, da sola o come parte di un sistema che tratta, aumenta o sostituisce un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo umano. Biomateriale: (1986) una sostanza non vivente utilizzata nella fabbricazione di un dispositivo medico che ha in qualche punto uninterfaccia con il tessuto vivente. Sono pertanto esclusi i materiali viventi (organi trapiantati) , ma inclusi i tessuti di origine biologica trattati e non pi viventi; inoltre non si fa riferimento alla durata del contatto tra il materiale ed il tessuto vivente dellorganismo ospite. Biocompatibilit: si tratta della capacit di un materiale di determinare, da parte di un sistema vivente, una favorevole reazione alla sua presenza in una specifica applicazione. Trombogenicit: la propriet di un materiale ad indurre o favorire la formazione dei trombi (coagulazioni del sangue). Generalmente si tratta di una propriet indesiderata e numerosi biomateriali dovrebbero avere la capacit di non far formare i trombi sulla loro superficie. Biodegradazione: si tratta della progressiva disgregazione di un materiale mediata da attivit biologiche. Bioassorbimento: il processo di dissoluzione o di riduzione, dovuto ad attivit cellulare, di un materiale inserito in un ambiente biologico. Dispositivo Medico: uno strumento, un apparato, un arnese, una macchina, uninvenzione, un reagente in vitro o un altro oggetto simulare o correlato, compreso ciascun componente, ciascuna parte, ciascun accessorio per il quale previsto luso in medicina. Tale uso pu riferirsi alla diagnosi di una malattia o di un altro stato. Organo Artificiale: un dispositivo medico che sostituisce in parte o completamente le funzioni di uno degli organi del corpo umano. Protesi: dispositivo medico che sostituisce un arto, un organo o un tessuto del corpo umano. Bioprotesi: una protesi impiantabile costituita totalmente o sostanzialmente da un tessuto biologico trattato e non vivente. Dispositivo Percutaneo: dispositivo medico che passa attraverso la cute rimanendo in tale posizione per un significativo lasso di tempo. Impianto: un dispositivo medico fabbricato con uno o pi biomateriali posto intenzionalmente allinterno del corpo umano e totalmente o parzialmente inglobato al di sotto di una superficie epiteliale cutanea o mucosa.

Graft: un pezzo di tessuto vivente, o un insieme di cellule viventi, trasferito da una zona di un donatore ad una zona di un ricevente con lo scopo di ricostruire questultima. Trapianto: una struttura completa, ad esempio un organo, che viene trasferita da una zona di un donatore ad una zona di un ricevente con lo scopo di ricostruire questultima. Alcune applicazioni prevedono la totale impiantabilit, altre sono completamente esterne anche se in contatto con i tessuti viventi, altre sono parzialmente impiantate, altre sono temporanee, altre ancora sono periodiche. Una classificazione di biomateriali quella relativa alle classi di materiali basate su aspetti chimicostrutturali; secondo questa classificazione possibile raggruppare i diversi materiali in cinque categorie: metalli, polimeri, ceramici, compositi e materiali biologici. Un materiale per poter essere impiegato con successo in una determinata applicazione deve avere anche le caratteristiche tecnologiche che consentono la trasformazione del materiale nel manufatto; la mancanza di tali caratteristiche pu rendere talvolta inutilizzabili per certe applicazioni materiali che avrebbero le adatte propriet chimico-fisiche.

*Problemi legati alla progettazione di dispositivi mediciNel progettare un organo artificiale si ha come obiettivo quello di realizzare un dispositivo che replichi le funzioni di un organo o di un tessuto di origine naturale. Ci riduce i gradi di libert del progetto in quanto le specifiche funzionali, cio le prestazioni, sono fissate abbastanza rigidamente. Globalmente il progettista ha quindi una grande quantit di vincoli; spesso purtroppo tali vincoli non sono completamente conosciuti. Ci dovuto a due motivi: il primo che la conoscenza e lanatomia della fisiologia di un organo spesso qualitativa e ci comporta la mancanza di informazioni precise e dettagliate; il secondo motovo che lorgano naturale non un prodotto in serie, pertanto avr caratteristiche atomico/funzionali diverse da soggetto a soggetto. Al momento, escluse le protesi dentali e le correzioni cosmetiche, la maggior parte dei dispositivi medici sono prodotti in serie e quindi sono tutti uguali fra loro. La progettazione di un organo artificiale ha come obiettivo la realizzazione di un dispositivo che riproduce un organo naturale. Lorganismo pu essere scomposto in organi, a loro volta costituiti da tessuti, a loro volta costituiti da cellule. Essendo per interessati alla progettazione di un organo sufficiente considerare lorganismo come livello gerarchico superiore in quanto lorganismo nel suo insieme che determina le condizioni funzionali ottimali dellorgano, ottimali in relazione ai rapporti che lorgano ha con gli altri organi per il buon funzionamento dellintero organismo.

Tessuto: linsieme di pi cellule correlate dal punto di vista morfologico e funzionale, che costituisce gli organi. I quattro tipi di tessuto sono: epiteliale (costituito da cellule di forma regolare con interposta scarsissima sostanza intercellulare), connettivo (caratterizzato da una sostanza fondamentale nella quale sono immerse cellule di vario tipo), muscolare (costituito da cellule di forma allungata specificatamente differenziate per la loro funzione contrattile), nervoso (costituito dai neuroni, ovvero cellule specificatamente differenziate per la conduzione di impulsi elettrici e da altre cellule di supporto). Organo: si trova gerarchicamente ad un livello molto elevato di specializzazione grazie ad un coordinato assemblaggio di tessuti in grado di svolgere funzioni elementari determinate dalla specifica natura delle cellule costituenti. Le cellule ed i materiali sono generalmente caratterizzate dalle propriet chimico-fisiche e dalle relazioni che legano tali propriet a condizioni esterne. I tessuti ed i componenti elementari degli organi artificiali hanno caratteristiche funzionali che dipendono dalle cellule e dai materiali costituenti e dal modo in cui essi sono associati fra loro. Il funzionamento degli

organi, naturali o artificiali, definito dallaccoppiamento e dallintegrazione degli obiettivi funzionali dei tessuti o dei componenti elementari Lorgano pertanto ha unorganizzazione a livello molto elevato che in genere determina unelaborazione energetica complessa grazie allassemblaggio di tessuti o di componenti che si distinguono per le loro differenziazioni in termini sia di specializzazione funzionale, sia di caratteristiche morfologiche. La scomposizione in livelli utile nella fase di progettazione di un organo artificiale in quanto consente unanalisi dettagliata su base funzionale. La fase di identificazione di un organo naturale raggruppa una serie di operazioni che hanno come obiettivo la definizione delle specifiche di progetto dellorgano artificiale, se necessario suddivise per ciascun livello. Tali specifiche devono comprendere indormazioni qualitative su dimensioni, forme, pesi, funzioni ed interfacce. Tali informazioni di carattere anatomico e fisiologico saranno poi integrate dalla durata di attualizzazione e dal tipo di impianto. La fase di progettazione di un organo artificiale prevede, sia per lorgano artificiale, sia per i suoi componenti, la realizzazione dei disegni costruttivi, la definizione delle modalit di funzionamento e la scelta dei materiali da utilizzare per la costruzione. La fase di verifica prevede una serie di prove al fine di controllare la risposta dellorgano artificiale alle specifiche di progetto. Le prove devono essere effettuate sui materiali, sui componenti e sul prototipo dellorgano artificiale cos da ottenere le informazioni sia sul funzionamento globale, sia sul possesso di requisiti funzionali specifici. Il superamento della fase di verifica porta alla fase di realizzazione e a quella di utilizzazione che sarebbero la produzione industriale e luso clinico definitivo.

*CompatibilitEssa ha fondamentalmente tre aspetti e pu essere suddivisa in: Compatibilit Morfologica: aspetto che riguarda le interfacce dimensionali, quelle di forma e quelle relative alle masse. Compatibilit Funzionale: aspetto che riguarda il ruolo svolto dalla protesi o dallorgano artificiale rispetto al ruolo atteso. Non sempre un dispositivo artificiale si comporta esattamente come loriginale naturale che deve sostituire. Compatibilit Biologica: la biocompatibilit riguarda tutti gli aspetti di natura chimica e biologica che possono indurre alterazioni dannose sia per i tessuti naturali, sia per i materiali impiegati per la costruzione dei dispositivi a contatto con tali tessuti. Affinch un dispositivo sia biocompatibile necessario, ma non sufficiente, che il materiale con cui costruito sia biocompatibile. La compatibilit quindi un insieme di propriet che sono legate dallinterazione fra dispositivo e organismo; questa interazione di tipo dinamico in quanto lorganismo evolve nel tempo. Pertanto possibile conoscere le condizioni iniziali dei fenomeni interattivi. Le esigenze di affidabilit e di compatibilit di un dispositivo crescono o diminuiscono in relazione con tre aspetti principali: Tempo: lapplicazione di un dispositivo medico pu essere temporanea, permanente o periodica. Posizione: un dispositivo medico pu essere totalmente intracorporeo, parzialmente intracorporeo o totalmente extracorporeo. Funzione: un dispositivo medico pu assolvere una funzione da cui dipende da vita dellorganismo oppure svolgere una funzione non vitale. Laffidabilit e la compatibilit di un dispositivo medico devono essere superiori per un dispositivo che deve essere impiantato permanentemente.

Indicando con I(t) la probabilit percentuale di insuccesso di protesi danca, allora laffidabilit percentuale di tale protesi sar: A(t)=100-I(t) Solitamente esistono numerose cause di insuccesso: infezione, mobilizzazione, usura dellaccoppiamento articolare, rottura per fatica ed errore chirurgico. Per la generica causa di insuccesso, laffidabilit percentuale Ai(t)=100-Ii(t) Dove Ii(t) la probabilit percentuale che si verifichi linsuccesso per la causa i-esima. Laffidabilit globale pari al prodotto delle singole affidabilit.

REAZIONI DELLORGANISMO ALLIMPIANTO DI MATERIALI ESTRANEILorganismo ha capacit autonome di difendersi da situazioni che a torto o a ragione possano danneggiarlo in qualche sua parte. Il verificarsi di una situazione di questo tipo provoca una serie di processi naturali atti a inibire gli effetti di tale situazione. Laccettazione da parte dellorganismo avviene sulla base di un riconoscimento della natura dei materiali da parte dei tessuti piuttosto che sulla valutazione della funzione che tali materiali svolgono allinterno dellorganismo. Anticorpo: molecola proteica prodotta dallorganismo in seguito allintroduzione di un antigene e in grado di interagire specificatamente con esso. La produzione di anticorpi attuata da linfociti che hanno la capacit di memorizzare la risposta anticorpale per cui un secondo contatto con lo stesso antigene provoca una reazione dellorganismo molto maggiore rispetto a quella avvenuta per il primo contatto, e con un tempo pi breve. Rigetto: reazione di un organismo nei confronti di un tessuto o di un organo trapiantato. Rappresenta la risposta dellorganismo verso ci che non riconosce come appartenente a se stesso. Per evitare il rigetto il trapianto viene effettuato solamente se esiste compatibilit antigenica tra donatore e ricevente, accompagnandolo con la somministrazione di farmaci immunorepressori.

*Processo di guarigione di una lesione tissutaleLintervento chirurgico provoca lesioni tissutali che possono essere sia una semplice interruzione della continuit di un tessuto, sia lasportazione di porzioni pi o meno estese di tessuto che possono essere sostituite con materiali artificiali; lorganismo reagisce tentando di ripristinare la continuit interrotta. Il processo detto normale o fisiologico in quanto le cellule adiacenti alla lezione sono stimolate a ripararla. La guarigione di una lesione sempre mediata da un processo di tipo infiammatorio, avvenente nei seguenti meccanismi:

Lesione Tissutale Infezione Processo Infiammatorio Fase Proliferativa Fase di Rimodellamento Fase di Cicatrizzazione

1. I capillari tesi si vasocostringono immediatamente cos da ridurre lemorragia. 2. Le cellule endoteliali che costituiscono la parete dei capillari aumentano contemporaneamente la loro attivit. 3. I capillari si ricoprono di globuli bianchi, globuli rossi e piastrine. 4. Si ha vasodilatazione con perdita di plasma dai capillari. 5. Il plasma combinato con i globuli bianchi e le cellule morte dei tessuti lesi forma lessudato. 6. Quando lessudato si arricchisce molto di globuli bianchi diventa purulento e si chiama pus asettico nel caso in cui non sia contaminato da microrganismi, settico nel caso in cui ci sia un processo infettivo. 7. I vasi linfatici vengono riparati dal liquido perso dai capillari. Se non esiste possibilit di drenare le cellule dei tessuti morti, la zona diventa sede di processo infiammatorio distruttivo che conduce ad ascesso. Se questa persiste, inizia un processo infiammatorio cronico, caratterizzato dalla presenza di cellule formate da macrofagi che aggrediscono e tentano di rimuovere il materiale estraneo ed i batteri. Questultimo rende possibile la cicatrizzazione dei lembi, quindi lisolamento del materiale estraneo; la cicatrizzazione da considerarsi un processo di riparazione, tranne nel caso di ossa e fegato in cui rigenera il tessuto leso. Un caso particolare di guarigione del tessuto leso riguarda le seriose (membrane); le seriose principali sono: pleuro, pericardio e peritomo.

*Risposta dei tessuti allimpianto di materiale estraneoIn generale la reazione di un organismo alla presenza di un corpo estraneo quella di espellere questultimo o comunque di eliminarlo. Leliminazione pu avvenire tramite aggressione e metabolizzazione del materiale impiantato; ci succede tipicamente quando il materiale impiantato liquido. Nel caso in cui il materiale sia solido lorganismo tende ad espellerlo o di isolarlo; viene prodotta una capsula intorno al corpo estraneo, la quale diventa una nuova superficie di bordo dellorganismo cos che il corpo estraneo sia isolato dai tessuti attraverso questa nuova superficie di bordo della capsula. I tessuti lesi sono sede di un processo infiammatorio che tenta di ripararli; la reazione tipica la comparsa di macrofagi che tendono a fagocitare il corpo estraneo; se il corpo estraneo inerte, allora viene incapsulato da un sottile strato di collagene, in caso contrario avviene il processo infiammatorio. Nel caso dei metalli levento pi probabile la corrosione con rilascio di ioni metallici nei tessuti: ci causa una riduzione delle caratteristiche meccaniche del dispositivo. I materiali polimerici sono generalmente inerti, mentre alcuni monomeri no. I materiali ceramici sono generalmente inerti dal punto di vista chimico e quindi sono sostanzialmente incapsulati da tessuto connettivo.

*Risposta del SangueGran parte delle protesi e degli organi artificiali svolgono la loro funzione in diretto contatto con il sangue ed i danni prodotti al sangue possono avere sia effetti specifici locali, sia effetti sistemici perch proprio il sangue che trasporta le sostanze che contiene tutto lorganismo. Essendo un tessuto liquido, non soggetto a processi di riparazione, ma le reazioni del sangue a contatto con materiali estranei sono volte proprio alla riparazione degli altri tessuti. Il requisito fondamentale di un materiale che deve svolgere la sua funzione a contatto col sangue lemocompatibilit. I due principali effetti da evitare e che possono derivare dal contatto fra il materiale estraneo ed il sangue sono la coagulazione ed il danneggiamento della parte corpuscolata. La coagulazione del sangue un processo fisiologico che ha lo scopo di impedire lemorragia attraverso la lezione di un vaso sanguigno; essa consiste nella totale o parziale solidificazione di una certa massa di sangue: il coagulo formato da un reticolo di fibrina, nel quale sono intrappolati i globuli rossi. La fibrina si trasforma in fibrogeno che viene attivato dalla trombina; questultima a sua volta si forma dalla prototrombina. Esistono delle sostanze capaci di inibire a vari livelli il processo di coagulazione del sangue ed in particolare gli angiagreganti piastrinici inibiscono laggregazione piastrinica ed il suo ruolo stimolante nelle reazioni. Prototrombina->Trombina e Fibrogeno->Fibrina, mentre leparrile inibisce la reazione Fibrogeno->Fibrina.

In generale il processo di coagulazione si attiva quando il sangue entra in contatto con superfici diverse da quelle interne del sistema cardiovascolare; il coagulo pu rimanere attaccato alla zona dove si formato (trombo), oppure pu distaccarsi ed essere trasportato dalla corrente ematica (embolo). Caratteristiche controllabili di un materiale: 1.Rugosit: il sangue coagula preferibilmente e pi velocemente su superfici rugose.Solitamente le superfici dei materiali a contatto con il sangue vengono lucidate. Quando invece sia necessario impedire la perdita di sangue attraverso materiali porosi, si pu favorire la coagulazione allinterno della parete porosa della protesi. 2.Bagnabilit: il sangue coagula preferenzialmente su superfici idrofobe piuttosto che su superfici idrofile. 3.Carica Superficiale: il sangue coagula preferenzialmente su superfici elettropositive piuttosto che su superfici elettronegative. Laltro possibile problema provocato tra literazione di un materiale estraneo con il sangue il danno ai globuli rossi: la loro rottura provoca il rilascio di emoglobina nel plasma dove viene degradata, quindi non pi in grado di svolgere al meglio la sua funzione. La rottura dei globuli rossi pu avvenire per cause fisiche quali la temperatura (t>42C), elevati valori di pressione osmotica, alti valori o cicliche applicazioni di sforzi di taglio, urti e per effetto di sostanze chimiche.

*Reazioni agli Impianti che attraversano la Superficie della Cute o delle MucoseEsistono dei dispositivi medici che attraversano permanentemente la cute, come i drenaggi, i fili metallici per la trazione degli arti, i tubi che collegano i ventricoli cardiaci e gli impianti endossei. In tutti questi casi la lesione cutanea non pu ripararsi in quanto il dispositivo rimane al suo interno dovendo garantire il trasporto di energia o di materia fra lesterno e linterno dellorganismo. Percutaneo: che penetra permanentemente attraverso una lesione della pelle creata chirurgicamente. Pergengivale: che penetra permanentemente attraverso una lesione della mucosa gengivale creata chirurgicamente o attraverso la discontinuit ottenuta dallestrazione di un dente. Transcutaneo: che penetra attraverso la pelle intatta senza la produzione di macroscopiche discontinuit della stessa pelle. Linea a Tre Fasi: linea immaginaria formata dalle fasi tessuto, ambiente esterno e materiale dellimpianto. Avulsione: rottura meccanica dellinterfaccia tessuto-materiale dellimpianto. Estrusione: (fenomeno da evitare) distruzione della continuit fra tessuto e materiale dellimpianto con perdita della funzione dellimpianto. Marsupializzazione: processo di migrazione epidermica interna lungo un impianto percutaneo che forma una borsa epidermica nella quale si ferma limpianto. Permigrazione: processo per cui le cellule basali dellepidermide migrano attraverso i pori di un impianto, eventualmente riempiendoli con i prodotti di scarto del processo. I principali modi in cui pu avvenire sono raggruppabili nelle seguenti categorie: 1.Estrusione causata da Marsupializzazione: quando un dispositivo non poroso viene impiantato in posizione percutanea, le cellule basali iniziano a migrare e a proliferare verso limpianto; hanno bisogno di tessuto vascolarizzato e quindi migrano verso il basso fino a quando i bordi della nuova epidermide non si incontrano formando una tasca. 2.Estrusione causata da Permigrazione: quando un dispositivo poroso viene piantato in posizione percutanea inizia il riempimento dei pori da parte del tessuto connettivo. Le cellule basali dellepidermide seguono il tessuto connettivo dentro i pori del materiale, raggiungono la base dellimpianto: a questo punto si produce uno spostamento della parete epidermica verso le zone pi esterne dellimpianto. 3.Estrusione causata da Infezione e da formazione di ascesso: il derma ed il sottostante tessuto in contatto con limpianto contaminato (poroso o non poroso) formano una spessa capsula di tessuto infiltrato con cellule derivanti dal processo infiammatorio acuto. Lepidermide non riesce a crescere n intorno n allinterno dellimpianto ed i bordi della lesione rimangono vicini alla capsula anche per mesi.

4.Estrusione causata da Avulsione: gli impianti percutanei sono soggetti a movimenti che possono indurre sollecitazioni meccaniche sulla pelle circostante causando il danneggiamento del tessuto allinterfaccia. Ci provoca microematomi e necrosi del tessuto. 5.Estrusione causata da qualsiasi combinazione delle precedenti cause: solitamente il fallimento di un impianto percutaneo leffetto di differenti combinazioni di pi cause.

TESSUTI BIOLOGICILimpiego dei materiali biologici avviene solo dopo che sono state eliminate le tracce cellulari responsabili della vitalit dei materiali. I materiali biologici rappresentano sia i materiali di cui sono costituiti i tessuti e gli organi che devono essere sostituiti con i dispositivi artificiali, sia i materiali con cui i dispositivi artificiali sono interfacciati. I materiali biologici di maggiore interesse nel settore dei biomateriali sono i tessuti connettivi, i quali sono costituiti da una sostanza fondamentale in cui sono immerse le cellule. I quattro diversi tipi di tessuto biologico si differenziano dagli altri materiali perch sono viventi; la struttura e le propriet dei tessuti dipendono dalla natura chimico/fisica dei componenti e dai loro rapporti qualitativi. Il fatto che i polimeri, in particolare i polimeri naturali, siano costituiti da catene di carbonio dipende non dalla qualit di carbonio disponibile, ma dalle qualit uniche del carbonio stesso; infatti il carbonio ha quattro legami covalenti con altri elementi ed in particolare pu legarsi anche con altri atomi di carbonio formando delle catene.

*Cenni di Chimica OrganicaI composti organici sono molecole a base di carbonio. Alla categoria dei composti organici appartengono gran parte delle molecole degli organismi viventi e anche dei polimeri sintetici. I composti sintetici si possono derivare partendo da sostanze costituite da carbonio ed idrogeno; queste sostanze fondamentali sono gli idrocarburi i quali possono essere suddivisi in tre grandi classi: -saturi: alcani o paraffine (es:etano) -insaturi: alcheni o define, alchini (es:etilene) -aromatici: (es:benzene) Gli idrocarburi saturi sono caratterizzati da catene con legami covalenti semplici; gli alcani sono in genere poco reattivi. Quelli insaturi contengono nella catena doppi legami covalenti, mentre gli alchini contengono anche tripli legami. Quelli aromatici sono composti insaturi, poco reattivi e sono caratterizzati da anelli di carbonio con legami covalenti doppi o singoli in continua risonanza. Mentre gli idrocarburi sono caratterizzati dalla presenza di soli atomi di carbonio e di idrogeno, esistono altre molecole organiche che contengono anche un atomo o un gruppo di atomi ai altra natura che ne caratterizzano le propriet.

*Tessuti Duri MineralizzatiLe ossa ed i denti sono tessuti mineralizzati che hanno come funzione principale quella di trasmettere o di sopportare forze. I denti lavorano in condizioni particolari in quanto sono direttamente a contatto con sostanze extracorporee quali i cibi, mentre le ossa svolgono la loro funzione completamente allinterno dellorganismo. Le ossa si distinguono in: ossa lunghe, ossa piatte e ossa brevi. Le ossa lunghe hanno una parte centrale lunga e cilindrica (diafisi) e due estremit pi larghe (epifisi) costituite da osso spugnoso. Tutte le ossa sono costituite da un tessuto connettivo altamente specializzato in cui si distinguono delle cellule (osteociti) ed una sostanza intercellulare in cui sono presenti sostanze minerali. La maggior parte della fase minerale dellosso assomiglia allidrossiapatite. Le superfici esterna ed interna delle ossa sono ricoperte dal periostio e dallendostio che sono connettivi non mineralizzati. Per quanto riguarda i denti ne esistono di due tipi: decidui (da latte) e sono 20 ed i permanenti che sono 32, questultimi suddivisi in incisivi, canini, premolari e molari.

*Tessuti MolliSono costituiti da collagene ed elastina. Il collagene una proteina strutturale; le fibre di collagene limitano le deformazioni dei tessuti e prevengono le rotture meccaniche. La struttura base del collagene formata da 3 amminoacidi: glicina, prolina ed idrossiprolina. I polimeri lineari di collagene interagiscono tra loro sottoforma di tripla elica; le fibre sono chimicamente stabili, hanno alti valori delle propriet meccaniche.

*Tessuti Ricchi di CollageneQuesti tessuti comprendono la pelle, i tendini, le cartilagini, i tessuti vascolari. Questi tessuti possono essere considerati materiali compositi di tipo polimerico nei quali fibre cristalline di collagene orientate sono contenute in una matrice di mucopolisaccardi e di elasticina amorfa. -tendini: estremi con le quali i muscoli si connettono si segmenti ossei oppure al derma trasmettendo a queste strutture le forse e gli accorciamenti della concentrazione muscolare. ->curva sforzo deformazione a trazione di un tendine 1.Allineamento delle fibre di collagene nella direzione di applicazione del carico. 2.Tratto abbastanza lineare, la maggior parte delle fibre vengono deformate lungo il loro asse. 3.Rottura delle singole fibre fino alla rottura. -legamenti: determiniano lunione di due o pi segmenti ossei o cartilaginei -pelle: una membrana continua che ha funzioni protettive, di scambio termico e di percezione tattile; estensibile per piccole sollecitazioni. -cartilagine: svolge due principali funzioni, ovvero mantiene le forme e riveste le superfici articolari per ridurre lattrito durante i movimenti relativi.

*Tessuti ElasticiSono quei tessuti che subiscono grandi deformazioni quando sono sottoposti a carichi relativamente piccoli. Il principale sostituente lelastina che ha propriet meccaniche simili a quelle della gomma. Il comportamento dellelastina fondamentale in tutti quei tessuti ai quali richiesta unampia deformazione con ripristino delle dimensioni originali, dopo la rimozione del carico, ad esempio vasi sanguigni e arteriosi. La parte arteriosa costituita da tre strati concentrici; tunica intima (strato di cellule endoteliali e sottile strato subendoteliale contenente fibre di collagene), tunica media (strato pi spesso ed ha struttura differente nelle diverse parti del sistema vascolare), tunica avventizia ( composta da fasci di fibre di collagene in direzione longitudinale). Un altro tipico tessuto elastico il tessuto muscolare che ha capacit contrattili dovute alla presenza di miosina actina. Lunit elementare contrattile del muscolo detta sarcomero; durante la contrazione il muscolo genera una forza che dipende dal numero di ponti che si generano tra i filamenti proteici. Il muscolo ha anche un comportamento elastico passivo.

*Collagene come BiomaterialeLapproccio fondamentale prevede limpiego di tessuti ricchi di collagene che vengono trattati chimicamente per trasformarli in protesi o in strutture impiantabili. La sostanza pi adatta per il trattamento chimico di tessuti ricchi di collagene la gluteraldeide. Si tratta di una sostanza dotata di due gruppi aldeidici che causa la formazione di legami trasversali tra le fibre di collagene determinandone una sorta di reticolazione che aumenta le caratteristiche meccaniche e la stabilit chimica. La capacit della gluteraldeide di ridurre lantigenicit di tessuti di origine animale cos elevata che tali tessuti possono essere impiantati nel cuore umano senza provocare significative reazioni immunologiche. Pu anche essere usata durante il periodo di conservazione del tessuto fino allimpianto. Problema nelluso di tessuti ricchi di collagene trattati con gluteraldeide: impiantati a contatto con il sangue->calcificazione->tali tessuti sono soggetti al progressivo deposito del calcio accumulato, il quale nel tempo irrigidisce il tessuto e riduce lefficacia della protesi (vascolare e cardiaca).

*Struttura dellIdrossiapatiteLa pare minerale dellosso e del dente ha una forma cristallina di fosfato di calcio tipo idrossoapatite; la famiglia degli apatiti cristallizza in rombi esagonali, prisimi. La struttura atomica dellidrossiapatite proiettata verso lasse c sul piano basale. Gli ioni di idrossido giacciono negli angoli del piano basale e occupano intervalli equidistanti lungo le colonne perpendicolari al piano basale e parallele allasse c. Sei dei dieci ioni di calcio dellunit cellulare sono associati con lidrolisi in queste colonne, risultando in forte iterazione tra loro. Il rapporto ideale Ca:P dellidrossiapatite 10:6. Sostituendo OH con la fluoride d allapatite grande stabilit chimica dovuta alla disposizione chiusa della fluorite compararlo allidrossile. Questo il perch la fluoridazione dellacqua potabile aiuta i denti a resistere alle carie. Le propriet meccaniche del fosfalo di calcio sintetico variano considerevolmente; questo dovuto alla variazione nella struttura e nel processo di fabbricazione. Il gruppo OH- pu essere sostituito dall F-, Cl-, CO3 (carbonato).

POLIMERII polimeri sintetici sono composti derivanti dallunione di due o pi monomeri , mediante una reazione di polimerizzazione controllata. Se le molecole del polimero sono formate dallunione delle stesse molecole di monomero, il polimero detto omopolimero; invece se il polimero formato da molecole di monomeri diversi detto polipolimero. I polimeri possono venire classificati in due gruppi: polimeri naturali (proteine, polisaccaridi), polimeri sintetici. Il grado di polimerizzazione dato dal numero di volte in cui sono ripetuti i monomi, mentre il peso molecolare il peso di una molecola di monomero moltiplicata per il numero di monomeri. Struttura dei Polimeri -Lineare: le molecole di monomero si susseguono luna allaltra formando lunghe catene. -Ramificata: nella molecola di polimero, in corrispondenza di alcuni monomi, partono alcune ramificazioni. -Reticolata: Il polimero pu risultare formato da ununica molecola gigante generata dallunione di macromolecole grazie a catene trasversali. In generale i polimeri presentano una struttura amorfa e non cristallina; il polimero conserva allo stato solido la struttura disordinata della sostanza allo stato fuso. Viene definita cristallinit la percentuale in peso di sostanza allo stato cristallino e tale valore lo si trova mediante misure di densit dal diagramma di diffrazione dei raggi X e dallo spettro infrarosso. Meccanismi di Polimerizzazione -Policondenzazione: unione di due o pi molecole di monomero in cui viene prodotto una sostanza secondaria di scarto (generalmente acqua, ammoniaca, acidi inorganici oppure alchol). Si tratta di una reazione molto lenta e che si pu interrompere facilmente. Le unit strutturali della molecola di polimero presentano formula chimica diversa da quelle dei monomeri di partenza a causa del rilascio delle sostanze secondarie. -Poliaddizione: si tratta dellunione diretta tra le macromolecole di monomero senza produrre sostanze secondarie di scarto. Questo tipo di reazione molto veloce e le unit strutturali della molecola di polimero hanno la stessa formula chimica di quelle dei due monomeri di partenza. La poliaddizione tipica del polietilene e di tutte le sostanze a lui derivate.

Affich una reazione di polimerizzazione abbia inizio necessario un rilascio di energia per attivare il monomio; tale energia attivatrice di tipo termico (raggi ultravioletti) oppure mediante la presenza di un altro composto attivato (perossidi). Se il monomero ha valenza superiore a 2 potrebbe dare luogo ad un polimero ramificato. -Polimerizzazione radicalica: quando lattivazione delle molecole avviene mediante un altro composto, il quale ad una determinata temperatura si decompone dando luogo alla formazione di radicali liberi. -Polimerizzazione ionica: generate da sostanze capaci di dare luogo, per reazioni con il monomero, a composti avente carattere ionico. Periodi di Polimerizzazione. 1. Periodo Iniziale: la molecola di monomero delliniziatore si attiva ed inizia a fare attivare le altre molecole di monomero. 2. Periodo di Propagazione: i monomeri si accoppiano iniziando a formare il polimero. 3. Periodo di Chiusura: pu avvenire a causa di tre fattori, cio due molecole di polimero che crescono insieme si uniscono e quindi terminano le valenze libere, la molecola di polimero incontra un radicale e termina le valenze libere, la molecola di polimero incontra un idrogeno e completa le valenze. 4. Periodo di Trasferimento di Catena: la molecola si disattiva terminando il suo accrescimento e potrebbe andare ad attivare una catena che si era chiusa in precedenza. Elenco Polimeri principali 1. Poliesteri: un policondensato sterilizzabile tramite radiazioni . Polietilentereftalato(PET) molto usato per protesi vascolari e in ortopedia come gomma siliconica o sostituto a tendini e legamenti. Acido Polilattico (PLA) di derivazione agricola ed completamente bioassorbibile, infatti usato per viti, chiodi o placche intramidollari, ma importante che non si assorba prima della fine del processo di osteosintesi dellosso. Acido Poliglicolico (PGA) usato tantissimo in applicazioni chirurgiche. 2. Poliammidi: un policondensato, abbastanza biocompatibile e sterilizzabile tramite radiazioni . Importante il Kevlar usato come il PET ed utilizzato anche in suture. 3. Polisilossani: un policondensato con ottime propriet chimico-fisiche e di biocompatibilit e affidabilit nel tempo in ambiente biologico. Comprendono materiali come gel, elastomeri, fluidi, lubrificanti; sono particolarmente stabili e non reagiscono ad altre sostanze come ad esempio i farmaci, tessuti o fluidi biologici. Sterilizzabili tramite radiazioni . 4. Poliuretani: un policondensato. Contengono il gruppo uretano derivante dalla reazione tra isocianato e un alchol. Hanno ottime propriet di emocompatibilit e sono usati per le protesi cardiovascolari e come camere di pompaggio per cuori artificiali, hanno anche unelasticit radiale uguale alle arterie naturali. 5. Polietilene: un poliaddizionato ed esso prodotto in diversi tipi -LDPE: bassa densit (pellicole e contenitori) -LLDPE: lineare bassa densit (pellicole e contenitori) -HDPE: alta densit (buone caratteristiche chimiche e meccaniche, usato in ortopedia) -UHMWPE: peso molecolare ad alta densit (ottime propriet antiattrito e resistenza a forze impulsive) Sterilizzazione tramite radiazioni . 6. Polimetilmetacrilato: (PMMA) un poliaddizionato. Noto per le sue propriet di trasparenza ed utilizzato nella chirurgia oculistica e produzione di componenti ottici. Nella forma di monomero risulta tossico, mentre nel polimero diventa biocompatibile.

7. Politetrafluoretilene: (PTFE) un poliaddizionato. Usato per la fabbricazione di protesi vascolari e legamenti, Goretex, molto biocompatibile ed ha buone propriet meccaniche. 8. Polivinilcloruro: PVC un poliaddizionato. 9. Polipropilene: un poliaddizionato. 10. Poliestirene: un poliaddizionato. Propriet termomeccaniche I polimeri possono essere classificati in base alle loro propriet termomeccaniche: -Termoplastici: sono i polimeri con struttura lineare o ramificata. Sono in grado di modificarsi plasticamente alle sollecitazioni per un numero illimitato di cicli. -Termoindurenti: dopo un certo stadio del processo non sono pi modellabili, anzi diventano duri. = temperatura di transizione vetrosa. (da vetroso a gommoso) = temperatura di rammollimento. (da gommoso a liquido) = limite di stabilit chimica. La temperatura di transizione vetrosa un dato molto importan te; infatti il valore di a temperatura ambiente a decretare il comportamento meccanico di un polimero: infatti per basse i polimeri si comporteranno come gomme (molto tenaci ed in grado di sopportare grosse deformazioni). In caso di materiali polimerici da impiantare il corpo umano la temperatura di riferimento 37C.

Lavorazioni dei Polimeri -Esportazione truciolato (poco indicata perch cambia le propriet meccaniche). -Stampaggio: iniezione (polimero termoplastico in uno stampo riscaldato con acqua fredda), compressione,soffiatura. -Estrusione.

CERAMICII Ceramici si dividono in due grandi categorie: 1.Tradizionali: da materie presenti in natura (silicati) 2.Neo Ceramici: Ossidi puri. Struttura: Cristallina/ Semicristallina/ Amorfa. Propriet dei Ceramici: 1.CHIMICHE= stabilit. 2.TERMICHE= robusti legami chimici, alte temperature di fusione e rammollimento, bassi coef. Di dilatazione termica, buoni isolanti (non hanno elettroni sparsi). 3.OTTICHE= facilmente colorabili. 4.MECCANICHE= fragili, ma robusti per non si ha deformazione prima della rottura (no duttili). Sono pi rigidi se compressi piuttosto che sottoposti a trazione.

Funzionalit dei Ceramici: 1. Ceramici BIOINERTI-> Carbonio pirolitico, ossidi di alluminio densi e non porosi (allumina), ossidi di alluminio porosi, ceramici a base di zirconia,alluminati di Calcio, idrossiapatite densa

Usati per: ricostruzione cavit acetabolare, placche ossee, rilascio farmaci, epifisi femorale, sostituti ossa orecchio, tubi di ventilazione. 2. Ceramici BIOATTIVI->Biovetri e ceravi tal, biovetri non porosi, idrossiapatite. Usi: rivestimento protesi metalliche, rivestimento protesi dentali, placche ossee, correzione difetti paradontali. 3. Ceramiche BIODEGRADABILI-> Ossidi alluminio calcio fosforo, fibre vetrose bioassorbibili, biocoralli, solfati di calcio, idrossiapatite, tricalciofosfato, fosfati di calcio zinco. Usi: rilascio farmaci, riparazione ossa danneggiate, riempitivo, riparazione dischi vertebrali soggetti ad ernia, impianti oculari in idrossiapatite.

Silicati e Altre Ceramiche Importanti Sono elementi fondamentali costituiti da Silicio,Ossigeno e Cationi Metallici, i quali si legano per formare tetraedi. Lunit fondamentale il SiO4 che si ripete nello spazio con unit strutturali variamente disposte( isolate o connesse mediante il legame di uno o pi ossigeni). 1. Silice: (SiO2 ) quando tutti gli ossigeni sono legati con il silicio di altre molecole. Sono presenti in diverse strutture cristalline tipo quarzo, tridimite e cristobalite. 2. Feldspati: (-AlSi3O8) possono legarsi con K,Na,Ca chiamandosi allumino silicati di . Hanno temperature di fusione minori rispetto alla silice. 3. Leucite: (KAlSi2O6) ha un coeff. di dilatazione termica analogo a molti metalli, quindi usato come rivestimento. 4. Allumina: (Al2O3) ricca di impurezze, molto resistente ad alte temperature, resistenza meccanica, rigidit, stabile ed inerte. 5. Spinelli: XY2O4 hanno una struttura cubica dove X=Mg,Zn,Fe.

METALLII principali sono acciai, titanio e leghe, leghe di cobalto. Vantaggi: -Elevate caratteristiche meccaniche. -Elevata resistenza allusura. Svantaggi: -Scarsa Biocompatibilit. -Durezza.

-Alta Densit (molto pesanti). -Facile corrosione in ambiente fisiologico. Usi: -Mezzi di Osteosintesi. -Protesi per Ortopedia ed Odontoiatria. Imperfezione nei solidi Generalmente il reticolo cristallino nei metalli regolare; a volte si verificano imperfezioni dette Difetti di punto: -Vacanza: assenza di un atomo in una posizione reticolare. -Atomi autointerstiziali: atomi del metallo occupano una posizione non reticolare. -Atomi costituzionali: atomi di elementi diversi occupano normali posizioni reticolari. -Atomi interstiziali: elementi diversi occupano posizioni non reticolari. Difetti Lineari(dislocazioni): Quando viene applicata al metallo uno sforzo di Taglio superiore alla forza che vincola gli atomi nel reticolo.

-a spigolo: se il vettore che unisce punto iniziale e finale del circuito di Burgers sullo stesso piano. -a vite: se il vettore che unisce punto iniziale e finale del circuito di Burgers su piano perpendicolari. Difetti di superficie(bordi di grano): Sono dovuti alla vicinanza di reticoli diversamente orientati che interferiscono; generano una certa energia interna che causa instabilit nel policristallo. Struttura e propriet -Ottimi conduttori di elettricit e calore. -Propriet di tipo elastoplastico. -No fenomeni viscoelastici a bassa temperatura. -Fatica meccanica dipendente dal numero di cicli. Lavorazioni Metalli -Sinterizzazione delle polveri per diffusione atomica allo stato solido: abbiamo la compressione delle polveri, ovvero la deformazione dei grani adiacenti. In seguito c il riscaldamento che lenergia necessaria a diffondere i reticoli e ad unirli. Questultimo avviene in uno stampo. I metalli prodotti con questa tecnica hanno buone propriet meccaniche, ma inferiori ai prodotti ottenuti per colatura o stampaggio. -Formatura Meccanica: lavorazione a freddo o a caldo di pezzi o di materiali grezzi. Quella a freddo consiste nel processo di laminazione, mentre la forgiatura pu essere svolta sia a caldo che a freddo mediante colata e successive compressioni in stampi. Le caratteristiche meccaniche sono superiori di oggetti di colata e ho deformazioni plastiche a freddo. -Finitura Superficiale: carburazione (indurimento superficie grazie alla reazione di carbonio con acciai), nitrurazione(indurimento superficie grazie alla reazione di azoto con acciai), passivazione, lucidatura (vengono passate delle polveri dure e fini per lucidare le superfici metalliche), sabbiatura (bombardamento della superficie con particelle di dimensioni varie per rimuovere una pellicola) e leghe superficiali(modifica la lega solo sulla superficie).

-Trattamento termico: invecchiamento (ad 1/3 della temperatura di fusione per un tempo prolungato per favorire la formazione di ossidi ed idrocarburi), tempra (riscaldamento a 2/3 temperatura di fusione ed il raffreddamento avviene velocemente, crea discontinuit nel reticolo cristallino quindi aumenta la durezza), ricottura (riscaldamento con raffreddamento lento).

Corrosione -Chimica diretta: tra gas e metallo (metallo si ossida e il gas si riduce) Si ha una reazione esotermica generalmente, ma nel caso in cui il metallo sia nobile si ha una reazione endotermica. -Elettrochimica: reazione anodica (ossidazione) e reazione catodica (riduzione). Abbiamo corrosione quando il potenziale del catodo maggiore di quello dellanodo; viceversa non c corrosione. La corrosione avviene quando la reazione tra metallo e liquido lontano dalla superficie anodica, quindi lossido precipita invece che depositarsi per fare il film protettivo. La passivazione c quando la sostanza prodotta aderisce alla superficie e forma il film protettivo. Diagramma Pourbaix Oridnate: potenziale (da catodico ad anodico) Ascisse: il Ph della soluzione (da acido a basico) Lequilibrio lo si ha quando si interrompono le reazioni e non si ha corrosione; nel caso del ferro . Si ha IMMUNIT quando la corrosione lentissima (quasi impercettibile) ad esempio quando aggiunto un potenziale esterno. Quando la concentrazione supera quella di equilibrio ho corrosione, altrimenti immunit. Tipi di Corrosione: 1.Corrosione Generalizzata: un metallo in soluzione elettrolitica. 2.Galvanica (o Bimetallica): ho due metalli con differenti potenziali elettrochimici. Il meno nobile si corrode ad una velocit inferiore a quella della velocit generalizzata. PH acido favorisce la corrosione galvanica. 3.Corrosione in fessura o Interstiziale: ho una fessura in cui c ossigeno e questo viene consumato ed al suo posto entrano ioni negativi che creano Ph acido e corrodono. 4.Corrosione per Vaiolatura: forma cavit di dimensioni piccole che crescono allinterno talvolta perforando il pezzo. Si verifica su metalli attivo-passivi ed in ambiente contenenti Cloruri. 5.Corrosione Intergranulare: tipica di acciai inossidabili e leghe. Durante i processi termici si possono avere precipitazioni sui bordi dei grani. 6.Corrosione Intragranulare: accoppiamento elettrochimico tra grani diversi presenti in leghe costituite da pi fasi. 7.Corrosione per Erosione: quando si ha il flusso dellelettrolita che rimuove il film di protezione, oppure quando due metalli scorrono uno sullaltro e consumano il film. 8.Corrosione sotto sforzo: localizzata e veloce nella penetrazione. Quando un materiale a trazione ed in presenza di sostanze corrosive si ha facilmente la propagazione di una cricca. Reazioni Anodiche e Catodiche Anodiche: 1. formazione ione metallico 2. formazione ossido 3. formazione di idrossido 4. formazione di sale insolubile

(Mescolando un acido con una base si ha una reazione di neutralizzazione, perch il prodotto che si forma non contiene n idrogeno n ossidrili: perci esso si considera neutro ed chiamato sale) Catodiche: 1. 2. 3. 4. +

deposito metallico formazione idrogeno catione/anione riduzione molecolare ossigeno

Nellimpianto biologico la lega al titanio potenzialmente pericolosa perch, se sottoposto a corrosione elettrochimica o a fretting, vengono liberati ioni titanio che sono altamente tossici e iniziano un processo di infiammazione che tende a corrodere il materiale biologico costante.

MICROSCOPIA ELETTRONICA- OTTICA ANALITICAOttica: limiti dalla lunghezza donda percepibile, con lunghezze donda minori cresce il potere risolutivo. Elettronici: sorgente elettronica costituita da una filamento incandescente che emette elettroni. Questi elettroni hanno una bassa lunghezza donda e quindi alti poteri risolutivi. Lenti condensatrice ed obiettivo. Il tutto poi passa in uno schermo fluorescente. SEM: consente una risoluzione spaziale medio alta di 1m ed ha limite di rilevabilit quantitativa del 5%. il Microscopio Elettronico a Scansione (SEM) che, a differenza del TEM, consente di studiare la superficie degli oggetti e degli organismi. Il campione prima di essere analizzato nel Il funzionamento del SEM semplice: il campione da osservare, disidratato e reso conduttivo, posto in una camera all'interno della quale viene fatto il vuoto. Un fascio di elettroni primari, opportunamente focalizzato da lenti elettroniche, viene inviato sul campione muovendolo, con un sistema generatore di scansione, cos da farlo scorrere sulla superficie dell'oggetto in esame. Il fascio di elettroni durante la scansione del campione colpisce la sua superficie generando degli elettroni secondari. La quantit e l'energia degli elettroni secondari retrodiffusi da ogni punto del campione colpito dal fascio elettronico dipendente dalla morfologia, oltre che dalla natura chimica, del campione in quel punto. Un rivelatore di elettroni secondari retrodiffusi provvede a raccogliere il segnale generato da ogni punto del campione durante la sua scansione con il fascio di elettroni primari. Un sistema di generazione dell'immagine acquisisce il segnale fornito dal rivelatore durante la scansione del campione e lo invia su uno schermo, ove viene cos tracciata l'immagine del campione esaminato.

ESEM: la versione ambientale del SEM. La differenza peculiare che il campione non posto nel vuoto, ma in ambiente umido (quindi sono analizzabili i tessuti biologici). Inoltre elimina anche un secondo limite del SEM, ovvero che sul campione si formava un accumulo di carica negativa dovuta al bombardamento degli elettroni ; la carica accumulata genera un campo che respinge i nuovi elettroni rendendo invisibile il campione. Questo limite viene superato applicando una differenza di potenziale (300-600V) tra il campione (posto a massa) ed il diaframma (lenti elettroniche). Questi elettroni vengono accelerati dal campo ed interagiscono con gli orbitali delle molecole di vapore acqueo ionizzandole e dando luogo a due aspetti principali: 1. Sono liberati elettroni dal gas che passano a loro volta con altre molecole di gas ; in questo modo si ha unamplificazione della carica raccolta sullelettrodo per effetto valanga. 2. Gli ioni positivi liberati invece vanno ad annullare gli ioni negativi presenti sul campione in modo tale che si possa osservare il tutto senza dover rendere conduttiva la loro superficie.

TEM: Microscopio a trasmissione elettronica. Presenta numerose analogie con il microscopio ottico, ma con alcuni vantaggi: 1.Si possono usare lunghezze donda della frazione di in modo da poterne migliorare il potere risolutivo. 2. A differenza delle lenti ottiche che hanno distanza focale fissa, quelle elettromagnetiche hanno una distanza focale variabile in funzione della corrente che vi scorre. 3. Gli consentono lo studio della composizione chimica. A differenza del SEM (che analizza gli elettroni retrodiffusi) il TEM analizza gli elettroni che attraversano il campione. Il funzionamento del TEM semplice: fa attraversare un campione molto sottile (da 5 a 500 nm) da un fascio di elettroni, quindi con un insieme di magneti (che funzionano come le lenti del microscopio ottico) ingrandisce l'immagine ottenuta che viene infine proiettata su uno schermo fluorescente rendendola visibile. Ci restituisce immagini della struttura interna dell'oggetto esaminato, al contrario del SEM che ne d solo la superficie, ma permette di ottenere solo immagini 2D.

AFM: microscopio a forza atomica. Il microscopio a forza atomica consiste di una microleva (cantilever) alla cui estremit montata una punta acuminata (tip), tipicamente composta di silicio o nitruro di silicio, che presenta un raggio di curvatura dell'ordine dei nanometri. La punta viene collocata nelle strette vicinanze della superficie del campione di cui si

vuole effettuare la scansione. La forza di Van der Waals che agisce tra la punta ed il campione provoca una deflessione della microleva; questa deflessione misurata utilizzando un punto laser riflesso dalla sommit della microleva verso una matrice di fotodiodi. Un sistema di rilevamento laser pu essere costoso ed ingombrante, quindi un metodo alternativo per determinare la deflessione della microleva consiste nell'utilizzare sonde AFM piezoresistive. Queste sonde sono fabbricate con elementi piezoresistivi che fungono da estensimetri a resistenza. Le deformazioni della sonda del microscopio a forza atomica dovute alla deflessione possono essere misurate utilizzando un ponte di Wheatstone, ma questo metodo non altrettanto preciso di quello a deflessione laser. Se la punta fosse esplorata ad altezza costante, si correrebbe il rischio che essa possa collidere con la superficie, danneggiandola; di conseguenza, nella maggior parte dei casi viene utilizzato un meccanismo di retroazione per regolare la distanza tra la punta e il campione al fine di mantenere costante la forza che agisce tra loro. Generalmente il campione collocato su un tubo piezoelettrico, che pu spostarlo in direzione perpendicolare (direzione z) per mantenere una forza costante e nel piano (direzioni x ed y) per analizzarne la superficie. La mappa risultante s(x,y) rappresenta la topografia della superficie campione. I principali modi di funzionamento sono: 1. a contatto statico (contact mode): Nel funzionamento a contatto, la forza agente tra la punta e la superficie campione viene mantenuta costante durante la scansione, mantenendo una deflessione costante. 2. ad assenza di contatto dinamico (non-contact mode): Nella modalit ad assenza di contatto, la microleva viene fatta oscillare dall'esterno ad una frequenza prossima o uguale alla sua frequenza di risonanza. L'oscillazione viene modificata dalle forze di interazione tra la punta e la superficie campione; queste variazioni dell'oscillazione in rapporto all'oscillazione esterna di riferimento forniscono informazioni riguardo alle caratteristiche del campione. 3. a contatto dinamico (dynamic mode): Gli schemi per i funzionamenti ad assenza di contatto e a contatto dinamico includono la modulazione di frequenza e la pi comune modulazione di ampiezza. Nella modulazione di frequenza le variazioni della frequenza di oscillazione forniscono informazioni riguardo alle caratteristiche della superficie campione. Nella modulazione di ampiezza (meglio nota come contatto ad intermittenza o modalit tapping), le variazioni nell'ampiezza di oscillazione producono informazioni topografiche della superficie campione. In aggiunta, le variazioni di fase delle oscillazioni nella modalit tapping possono essere usate per discriminare tra differenti tipologie di materiali sulla superficie. Vantaggi AFM: Il microscopio a forza atomica, diversamente dal microscopio elettronico che fornisce una proiezione bidimensionale o un'immagine bidimensionale di un campione, produce un reale profilo tridimensionale della superficie; inoltre i campioni analizzati da un microscopio ad interazione atomica (AFM) non richiedono nessun trattamento speciale (metallizzazione e grafitizzazione) che potrebbe modificare o distruggere irrimediabilmente il campione, mentre un microscopio elettronico per un funzionamento corretto necessita di un costoso ambiente sottovuoto (SEM),mentre la maggior parte delle modalit operative del microscopio ad interazione atomica (AFM) funzionano perfettamente nell'ambiente normale o perfino in un ambiente liquido. Ci lo rende un ottimo strumento per lo studio di macromolecole biologiche e di organismi viventi. Svantaggi AFM: Il principale svantaggio del microscopio a forza atomica rispetto al microscopio elettronico a scansione (SEM) 1. dimensioni dell'immagine: il microscopio elettronico a scansione (SEM) in grado di mostrare un'area dell'ordine del millimetro per millimetro ed una profondit di campo dell'ordine del millimetro; il microscopio a forza atomica pu invece riprodurre solo una profondit dell'ordine del micrometro ed un'area massima di circa 100 per 100 micrometri. 2. Elevata risoluzione e la qualit delle immagini limitate dal raggio di curvatura della sonda e una scelta errata della sonda pu portare anche alla formazione di artefatti.

3. Lentezza nella scansione delle immagini: per effettuare la scansione di un'area ci vogliono tipicamente diversi minuti con un microscopio a forza atomica, mentre un microscopio elettronico a scansione (una volta effettuato il vuoto nella colonna) in grado di esplorarla quasi in tempo reale (anche se con una qualit relativamente bassa). I lunghi tempi impiegati per formare l'immagine possono anche portare molto spesso al drift termico dell'immagine. Per questo motivo il microscopio a forza atomica pu non rivelarsi adatto per misurare in modo accurato le distanze tra gli artefatti di tali immagini.4. immagini AFM sono caratterizzate dall'isteresi dei materiali piezoelettrici e dai disturbi nella trasmissione prodotta da alterazione o disordine nei segnali fra i diversi canali degli assi (x,y,z). L'immagine deve essere perci post-processata e filtrata con un opportuno software. Importanti passi in avanti sono stati effettuati con la progettazione del video-AFM, con il quale si possono ottenere delle immagini di buona qualit e in tempi inferiori a quelli del SEM.

Legge di Bragg

Tecniche che danno uninformazione media sul campione 1. Spettroscopia ad infrarosso: si tratta di unanalisi spettroscopica che consente di individuare i gruppi di materia organica e di sostanze cristalline; essa fa uso della porzione di spettro elettromagnetica di lunghezza donda tra 0.8 e 200m. Quando una radiazione IR, con una determinata frequenza, colpisce un campione, questo reagir con un assorbimento selettivo dellenergia che corrisponde alle frequenze di vibrazione dei legami interni. Tali variazioni avvengono per STIRAMENTO SIMMETRICO (allungamento e accorciamento degli atomi) STIRAMENTO ASIMMETRICO, PIEGAMENTO. 2. Diffrazione Raggi X: lanalisi difrattometrica a RX consente di riconoscere le sostanze cristalline. Essa identifica la distanza fra i piani reticolari di un materiale; unanalisi sia qualitativa che quantitativa. Ottengo informazioni sulla struttura cristallina di un materiale (grado di cristallinit, parametri di cella elementare, polimorfismo) e d informazione generiche sulla presenza di materiali organici e sostanze amorfe. Ha una risoluzione di circa 1%, mentre la durata dellacquisizione di circa 1 ora. Si basa sul principio della diffrazione ottica e della riflessione dei raggi X che colpiscono i piani reticolari di una sostanza cristallina (legge di Bragg). Il difrattometro XRD costituito da un generatore di raggi X (sorgente elettronica contro un campione di rame), un tubo RX, collimatori. 3. Analisi Termica: si tratta di unanalisi che misura le variazioni delle propriet fisiche di una sostanza indotte da un cambiamento di tempertatura. Si utilizzano: -campioni in polvere (25mg) -risoluzione una misura che serve a capire se il materiale subisce unalterazione termodinamica dovuta ad un generico processo (tutto ci che produce un cambiamento di stato). -(TG) Termogravimetrica-> prende la misurazione della perdita di peso che il materiale subisce in funzione di un riscaldamento programmato dalloperatore. La DTG la derivata prima della perdita di peso in funzione del tempo dellincremento di temperatura; se DTG=DTA ho una endotermica con perdita di peso e assorbimento di calore(perdita di peso, emissione di Gas). Per vedere se Esotermica oppure Endotermica ho due termocoppie: una sul materiale di riferimento e laltra sul campione. SENZA REAZIONE CON REAZIONE Solitamente la termocoppia fatta di Cromo-Alumel. I campioni montati simmetricamente su un blocco di nichel devono avere circa lo stesso volume e le stesse dimensioni; le differenze di temperatura fra i due campioni sono acquisite automaticamente e sono quindi relazionati alle temperature del campione incognito. Durante il riscaldamento di un campione vi sono determinati cambiamenti di stato: *reazioni che comportano cristallizzazione: ESOTERMICA (picco in alto) *cambiamento di fase cristallina: ENDOTERMICA Fluorescenza Quando viene emessa luce, si parla di luminescenza. La fluorescenza un caso particolare di luminescenza che si verifica per eccitazione, cio sotto linfluenza di qualche altra radiazione elettromagnetica che colpisce il corpo luminescente: lessenziale che quel corpo pu emettere luce (anchessa una radiazione elettromagnetica, come sappiamo), quando colpito da una radiazione di diversa lunghezza donda. La fluorescenza si distingue dunque dalla diffusione, nella quale NON avviene un cambiamento della lunghezza donda. Se lemissione avviene e cessa entro dopo leccitazione, allora si parla di fluorescenza; se si mantiene per un tempo pi lungo dopo il cessare delleccitazione, anche per molti minuti, si parla di fosforescenza. La fosforescenza pu durare cos a lungo, poich leccitazione pu trasmettersi da un atomo allaltro per qualche tempo, in una specie di staffetta continua; quando tutta lenergia deccitazione esaurita, la fluorescenza cessa. La fosforescenza raramente avviene nei gas: in essi, infatti, le distanze interatomiche sono abbastanza grandi perch leccitazione del singolo atomo avvenga senza coinvolgere quelli vicini. Nei solidi e nei liquidi, invece, linterazione fra gli atomi forte e le cose si complicano. La fluorescenza da radiazione, eccitata cio da altre radiazioni elettromagnetiche, pu conseguire ad un irraggiamento nel campo infrarosso, ottico, ultravioletto, X , , ecc. Il fenomeno pu coinvolgere singoli atomi o interi edifici molecolari, in solidi, liquidi, raramente nei gas.

TEST PER LA VALUTAZIONE DELLA BIOCOMPATIBILIT DI UN MATERIALELe istituzioni che aggiornano e presentano il prodotto medico sono ANSI e ISO 1993.

I test per determinare la biocompatibilit di un materiale si presentano in tre livelli: TEST INIZIALI {Essi comprendono la valutazione in-vitro della Cittosit, della lisi della membrana cellulare dei globuli rossi (emolisi), della mutagenesi e della cancerogenesi a livello cellulare, sulla sofferenza e sulla morte fisiologica a livello dellorganismo}, TEST SECONDARI {dopo aver passato i test iniziali, i materiali promettenti passano e vengono impiantati in-vivo su piccoli animali per verificare il potenziale infiammatorio ed immunitario}, DI UTILIZZO {se i materiali passati anche ai test secondari hanno bisogno di unulteriore testatura, vengono impiantati per lutilizzo che dovranno avere prima su primati, poi, dopo lapprovazione del FDA, nelluomo}. TEST INIZIALI: 1. Prova di Citossit: Queste prove misurano leffetto di un materiale su -numero di cellule e la loro crescita. -integrit della membrana della cellula. -attivit enzimatica o di biosintesi. -variazione del materiale genetico della cellula. I vantaggi sono la valutazione della funzione specifica del metabolismo cellulare isolata degli altri eventi, indagine veloce e poco costosa, maggiore sensibilit ai materiali tossici rispetto ai test di utilizzo, quantificazione dei risultati. Gli svantaggi sono la limitazione della valutazione ad un solo tipo cellulare per volta, diversit tra cellule usate nel test e quelle dellospite. 1. Test del numero e di crescita della cellula Viene valutata la citossit di una sostanza mediante la misura del numero delle cellule e della loro crescita dopo lesposizione con un materiale. Le cellule vengono stratificate in un pozzo di coltura cellulare e vi si attaccano. Il materiale viene posto nel sistema di prova (liquido); se il materiale non citossico le cellule rimangono attaccate al pezzetto ed iniziano a proliferare nel tempo. Se il materiale invece citossico le cellule possono interrompere la crescita e manifestare aspetti patologici. Alcune sostanze come il Teflon si possono usare come controllo negativo(non citossico), mentre altri materiali come il polivinilcloruro si possono usare per un controllo positivo(citossico). 2. Test di Permeabilit di Membrana Valutazione dello status cellulare attraverso la permeabilit della membrana; cellula sana (membrana intatta selettiva), cellula danneggiata (membrana permeabile totalmente). Si tratta del fenomeno per cui un colorante pu passare attraverso una membrana cellulare; questi coloranti sono di due tipi; coloranti vitali vengono trasportati in modo attivo allinterno delle cellule vitali dove sono trattenuti a meno di sostanze citossiche, mentre quelli non vitali non vengono trasportati in modo attivo e captati solo se la permeabilit di membrana stata compromessa. 3. Test di attivit enzimatica e di biosintesi Questo test misura la sintesi del DNA o della sintesi proteica; un esempio il test MTT (lattivit della deidrogenasi cellulare) 4. Variazione materiale genetico della cellula Le prove di multagenesi valutano leffetto dei materiali sul materiale genetico della cellula; i multageni genotossici alterano direttamente il DNA attraverso vari tipi di mutazioni. Test Secondari 1. Test di irritazione delle membrana mucosa 2. Test di sensibilizzazione cutanea delle cavie 3. Test di impianto

Test di Utilizzo Richiedono che svolga la funzione per cui destinato a differenza dei test secondari.