Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di evidenziare le criticità presenti nei sistemi protesici all’avanguardia e di studiare il comportamento tribologico relativo all’interfaccia tra i materiali utilizzati in questi sistemi. Si è partiti da un’analisi deduttiva, ovvero da principi generali di tribologia e di studi di materiali alternativi per giungere a risultati presenti nei sistemi attuali fino ad ipotizzare e studiare innovazioni che riguardano i materiali stessi. Da un modello di studio meno restrittivo e più versatile come l’utilizzo di un materiale a basso costo come il polietilene ad alta densità (HDPE), si è passati al suo gemello utilizzato in campo biomedico, ovvero il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) per poi concludere la ricerca con l’inserimento di un ulteriore materiale ipotizzato nella prima fase di ricerca che ha validato i risultati ottenuti nella fase iniziale con il polietilene ad alta densità. Una protesi articolare comprende diversi componenti realizzati, a loro volta, con diversi materiali, ad esempio, quella al ginocchio è composta dallo stelo protesico metallico in lega di titanio, alluminio, vanadio Ti6Al4V e da parti in materiale polimerico, ovvero polietilene ad altissimo peso molecolare quali cuscinetto antifrizione. La maggiore criticità rilevata da questi inserti è la formazione di microdetriti derivanti dall’usura che causano infiammazioni e, a medio-lungo termine, mobilizzazione dell'impianto con necessità di revisione e quindi di intervento chirurgico. Da uno sguardo approfondito di letteratura e dall’esigenza di ottimizzare la vita utile di questo sistema metallo-polimero ed infine dalle nuove tecnologie additive, che semplificano la progettazione e la produzione di protesi metalliche, nasce la volontà di comprendere e migliorare questo contatto. Studiare un polimero commerciale relativamente comune come il polietilene ad alta densità (HDPE), simile a quello biomedicale, è stato il primo passo per comprendere l’evolversi del comportamento meccanico della miscela, additivata con una carica carboniosa, scelta per lo studio e soprattutto per lo sviluppo successivo che riguarda lo studio del polimero (UHMWPE), in cui verrà analizzato il comportamento con un ulteriore filler a base carboniosa, ma ottimizzato nella produzione. Dalla ricerca bibliografica e dalle prime sperimentazioni del primo anno della seguente attività di ricerca, è stata preparata una miscela di HDPE con carica di grafite, trattata meccanicamente, per comprendere quanto quest’ultimo, pur mantenendo la medesima struttura chimica, possa migliorare le proprietà meccaniche della miscela, variando essenzialmente la dimensione delle particelle e la dispersione al suo interno. Come ampiamente riportato in letteratura, la grafite conserva una buona proprietà di lubrificazione e riesce a fornire al polimero una maggiore durezza e resistenza ad usura. Inoltre il trattamento meccanico porta alla diminuzione della dimensione delle particelle e all'esfoliazione degli strati di grafite. Da questa miscela, è stata migliorata la rigidità, la resistenza allo snervamento, la stabilità termica e, in particolare, la resistenza all'usura. Il comportamento della miscela trattata ha fatto sì che la medesima tecnologia di produzione è stata applicata anche per il polietilene ad altissimo peso molecolare, noto per essere comunemente utilizzato come polimero ad uso biomedicale. Quest’ultimo, oltre ad essere stato studiato senza la presenza del filler, è stato additivato con una carica ottimizzata di grafene ossido (GO) conseguente della precedente carica di grafite analizzata all’interno della miscela di HDPE. Infine è stato analizzato il comportamento delle relative miscele inserendo nel contatto dinamico tra polimero e metallo, liquidi lubrificanti presenti già come analisi in campo scientifico. Sono state quindi studiate le proprietà di resistenza meccanica ad usura. A tal fine, sono stati realizzati con presso-fusione diversi campioni di HDPE, UHMWPE e miscelazioni con filler (Grafite pura, trattata meccanicamente ed ossidata) e sono stati sottoposti a prove di usura in aira, liquidi lubrificanti (Acqua distillata, liquido sinoviale sintetico e bovino). Il liquido bovino viene utilizzato quale mezzo lubrificante per simulare l'azione del liquido sinoviale tipico delle articolazioni. Per simulare perfettamente il funzionamento di una protesi articolare del ginocchio o dell'anca, il sistema metallo-polimero è stato riprodotto utilizzando come materiale usurante una punta in lega di titanio, Ti-6Al-4V, ricavata mediante progettazione e stampaggio EBM, che usura l'inserto in polietilene. Questa nuova tecnologia di stampa ha permesso di adattare le condizioni di test ad usura secondo le caratteristiche desiderate di contatto. In tal modo si simula l'azione di contatto metallo- polimero che si verifica in una reale protesi. In seguito sono state effettuate sugli stessi provini prove bagnabilità utilizzando acqua distillata e liquido bovino al fine di verificare la la penetrazione di tali fluidi all'interno del polimero. Infine sono state analizzate le tracce di usura al microscopio digitale, e tutte le caratterizzazioni chimico-fisiche dei campioni per comprendere meglio il comportamento meccanico dei campioni polimerici trattati ottenendo le basi per un’analisi predittiva secondo il modello di Archard, in grado di determinare la vita utile del contatto polimero-metallo.

Materiali Avanzati per Applicazioni Biomeccaniche

GRASSO, Antonio
2022-11-17

Abstract

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di evidenziare le criticità presenti nei sistemi protesici all’avanguardia e di studiare il comportamento tribologico relativo all’interfaccia tra i materiali utilizzati in questi sistemi. Si è partiti da un’analisi deduttiva, ovvero da principi generali di tribologia e di studi di materiali alternativi per giungere a risultati presenti nei sistemi attuali fino ad ipotizzare e studiare innovazioni che riguardano i materiali stessi. Da un modello di studio meno restrittivo e più versatile come l’utilizzo di un materiale a basso costo come il polietilene ad alta densità (HDPE), si è passati al suo gemello utilizzato in campo biomedico, ovvero il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) per poi concludere la ricerca con l’inserimento di un ulteriore materiale ipotizzato nella prima fase di ricerca che ha validato i risultati ottenuti nella fase iniziale con il polietilene ad alta densità. Una protesi articolare comprende diversi componenti realizzati, a loro volta, con diversi materiali, ad esempio, quella al ginocchio è composta dallo stelo protesico metallico in lega di titanio, alluminio, vanadio Ti6Al4V e da parti in materiale polimerico, ovvero polietilene ad altissimo peso molecolare quali cuscinetto antifrizione. La maggiore criticità rilevata da questi inserti è la formazione di microdetriti derivanti dall’usura che causano infiammazioni e, a medio-lungo termine, mobilizzazione dell'impianto con necessità di revisione e quindi di intervento chirurgico. Da uno sguardo approfondito di letteratura e dall’esigenza di ottimizzare la vita utile di questo sistema metallo-polimero ed infine dalle nuove tecnologie additive, che semplificano la progettazione e la produzione di protesi metalliche, nasce la volontà di comprendere e migliorare questo contatto. Studiare un polimero commerciale relativamente comune come il polietilene ad alta densità (HDPE), simile a quello biomedicale, è stato il primo passo per comprendere l’evolversi del comportamento meccanico della miscela, additivata con una carica carboniosa, scelta per lo studio e soprattutto per lo sviluppo successivo che riguarda lo studio del polimero (UHMWPE), in cui verrà analizzato il comportamento con un ulteriore filler a base carboniosa, ma ottimizzato nella produzione. Dalla ricerca bibliografica e dalle prime sperimentazioni del primo anno della seguente attività di ricerca, è stata preparata una miscela di HDPE con carica di grafite, trattata meccanicamente, per comprendere quanto quest’ultimo, pur mantenendo la medesima struttura chimica, possa migliorare le proprietà meccaniche della miscela, variando essenzialmente la dimensione delle particelle e la dispersione al suo interno. Come ampiamente riportato in letteratura, la grafite conserva una buona proprietà di lubrificazione e riesce a fornire al polimero una maggiore durezza e resistenza ad usura. Inoltre il trattamento meccanico porta alla diminuzione della dimensione delle particelle e all'esfoliazione degli strati di grafite. Da questa miscela, è stata migliorata la rigidità, la resistenza allo snervamento, la stabilità termica e, in particolare, la resistenza all'usura. Il comportamento della miscela trattata ha fatto sì che la medesima tecnologia di produzione è stata applicata anche per il polietilene ad altissimo peso molecolare, noto per essere comunemente utilizzato come polimero ad uso biomedicale. Quest’ultimo, oltre ad essere stato studiato senza la presenza del filler, è stato additivato con una carica ottimizzata di grafene ossido (GO) conseguente della precedente carica di grafite analizzata all’interno della miscela di HDPE. Infine è stato analizzato il comportamento delle relative miscele inserendo nel contatto dinamico tra polimero e metallo, liquidi lubrificanti presenti già come analisi in campo scientifico. Sono state quindi studiate le proprietà di resistenza meccanica ad usura. A tal fine, sono stati realizzati con presso-fusione diversi campioni di HDPE, UHMWPE e miscelazioni con filler (Grafite pura, trattata meccanicamente ed ossidata) e sono stati sottoposti a prove di usura in aira, liquidi lubrificanti (Acqua distillata, liquido sinoviale sintetico e bovino). Il liquido bovino viene utilizzato quale mezzo lubrificante per simulare l'azione del liquido sinoviale tipico delle articolazioni. Per simulare perfettamente il funzionamento di una protesi articolare del ginocchio o dell'anca, il sistema metallo-polimero è stato riprodotto utilizzando come materiale usurante una punta in lega di titanio, Ti-6Al-4V, ricavata mediante progettazione e stampaggio EBM, che usura l'inserto in polietilene. Questa nuova tecnologia di stampa ha permesso di adattare le condizioni di test ad usura secondo le caratteristiche desiderate di contatto. In tal modo si simula l'azione di contatto metallo- polimero che si verifica in una reale protesi. In seguito sono state effettuate sugli stessi provini prove bagnabilità utilizzando acqua distillata e liquido bovino al fine di verificare la la penetrazione di tali fluidi all'interno del polimero. Infine sono state analizzate le tracce di usura al microscopio digitale, e tutte le caratterizzazioni chimico-fisiche dei campioni per comprendere meglio il comportamento meccanico dei campioni polimerici trattati ottenendo le basi per un’analisi predittiva secondo il modello di Archard, in grado di determinare la vita utile del contatto polimero-metallo.
Tribologia, nanocompositi polimerici, grafite, grafene ossido, HDPE, UHMWPE
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Descrizione: tesi
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