Materiali Avanzati
I parte
Lezioni d'Autore
di Giorgio Benedetti
UN PO’ DI STORIA
Lo sviluppo della civilizzazione è stato fortemente
influenzato dalla capacità di modificare e produrre
sostanze, materiali e tecnologie.
L’ETÀ DELLA PIETRA
Fino a circa diecimila anni fa, tutti gli oggetti si costruivano con
pietra, legno, ossa e pelli. È nel Neolitico (8.000-4.000 a. C.)
che si sviluppano nuovi materiali, come le ceramiche e le fibre
tessili.
LE ETÀ DEI METALLI
La lavorazione dei metalli, il rame (circa 4.000-3.000 a.C.),
poi il bronzo (circa 3.000-XI secolo a.C.) e infine il ferro (XI-V
secolo a.C.) segna un evoluzione tecnologica di enorme
importanza per l’umanità.
UN PO’ DI STORIA
È alla fine del XVIII secolo che lo studio dei materiali subisce
una trasformazione rivoluzionaria. Con la nascita della scienza
moderna le tecnologie e i bisogni produttivi determinano la
ricerca e lo sviluppo di materiali caratterizzati da proprietà
fisiche e chimiche adatte a uno scopo.
L’ETÀ DELL’ACCIAIO
Nel XIX secolo l’invenzione del convertitore Bessemer
rivoluziona l’industria metallurgica e si comincia a fabbricare in
grandi quantità l’acciaio, lega di ferro e carbonio.
L’ETÀ DELLA PLASTICA E DEI NUOVI MATERIALI AVANZATI
Nel XX secolo inizia la produzione delle materie plastiche e lo
sviluppo di nuove leghe metalliche.
Negli ultimi decenni la ricerca si è indirizzata su nuove classi di
materiali alcuni con analogie al mondo naturale, come i
materiali compositi e i biomateriali, ed altri come gli smart
materials e i nanomateriali.
I MATERIALI COMPOSITI
Sono il risultato di una combinazione di almeno due
materiali tra loro chimicamente differenti con
un’interfaccia di separazione.
Ciascun costituente mantiene la propria identità e
caratteristica nel composto finale senza fondersi
completamente nell’altro.
Tra i componenti esistono zone di contiguità che
possono essere semplicemente le superfici di contatto
o delle interfasi costituite da una fase separata
aggiuntiva.
I costituenti essenziali di un materiale composito sono
la matrice e il materiale di rinforzo.
ESEMPI DI MATERIALI COMPOSITI
Naturali:
Legno (fibra di cellulosa in una matrice legnosa )
Ossa dei vertebrati
(costituite da collagene e
apatite)
Artificiali:
mattoni già realizzati nell’antico Egitto mescolando
paglia con argilla
calcestruzzo armato inventato da J. Monier nel
1877, costituito da cemento e ghiaia combinato
con barre in acciaio
COME È FATTO UN MATERIALI COMPOSITO
Matrice è il costituente continuo che inglobando il
rinforzo ha il compito di:
mantenerlo nell’orientazione desiderata
trasferire uniformemente su di esso le sollecitazioni provenienti
dall’esterno
proteggerlo dai fattori ambientali
Le matrici più comuni sono di natura polimerica (resine epossidiche,
viniliche, fenoliche e poliestere), metallica o ceramica.
Rinforzo è il costituente discontinuo che migliora le
caratteristiche della matrice:
sopporta principalmente il carico
agisce come barriera alla propagazione delle fratture all’interno
della matrice
impartisce rigidezza al composito
Si presenta generalmente sotto forma di fibre (allineate lungo una
certa direzione, distribuite casualmente o ordinate su due o tre
direzioni) o sotto forma di particelle
RUOLO DELLA MATRICE
In un fascio di fibre sottoposto a
trazione, la rottura di una di esse
comporta un trasferimento dello sforzo
alle altre fibre rimanenti che determina
una riduzione globale della resistenza
del fascio.
Se le fibre sono inserite in una
matrice, quando una fibra si
rompe
la
deformazione
elastica o lo scorrimento della
matrice esercitano forze che
gradualmente ripartiscono lo
sforzo
anche
sulla
fibra
fratturata.
La fibra continua a fornire un rinforzo al materiale
composito, diminuendo a sollecitazione sulle fibre
ancora intatte
MATRICI E RINFORZI
I materiali che costituiscono le matrice dei compositi
possono essere:
Polimerici (resine epossidiche, viniliche, fenoliche e
poliestere)
Metallici (alluminio, magnesio, rame o titanio,
leghe di questi metalli)
Ceramici (carburo di silicio, nitruro di silicio, ossido
di alluminio o mullite)
I materiali di rinforzo possono essere:
fibre di vetro, carbonio, boro o
aramidiche (Kevlar)
Fibre di carbonio al microscopio
elettronico
UTILIZZAZIONE DEI COMPOSITI
Esempi di utilizzazione dei materiali compositi
in aeronautica (Airbus A-380)
I BIOMATERIALI
I biomateriali sono materiali non viventi designati per
interagire con i sistemi biologici. Questi materiali sono
biocompatibili e quando sono posti all’interno di un
sistema vivente, sono in grado di svolgere, aumentare
o sostituire una funzione naturale.
Essi si possono suddividere in tre categorie principali:
quelli che sono chimicamente e biologicamente inerti
e non producono risposte dai tessuti o altre sostanze
biologiche con cui vengono a contatto
quelli che svolgono un ruolo attivo nel corpo legandosi
o interagendo con i tessuti o altri materiali biologi
quelli che sono degradabili o che sono assorbiti in un
certo tempo
UN PÒ DI STORIA DEI BIOMATERIALI
Fin dall’antichità sono stati utilizzati
impianti dentali di materiali diversi o
semplici strumenti prostetici di metallo
o legno
All’inizio del XX secolo A. Carrel è uno
dei
primi
scienziati
a
tentare
la
sostituzione di tessuti e organi interni
con materiali sintetici
Nel
1949
l’oftalmologo
H.
Ridley
utilizza il polimetilmetacrilato (PMMMA)
per costruire lenti intraoculari nella
cura della cataratta
Antica
protesi
egizia
risalente a 3000 anni fa
LA RICERCA MODERNA DEI BIOMATERIALI
Oggi la ricerca dei biomateriali si indirizza principalmente
verso:
l’ingegneria dei tessuti
lo sviluppo di componenti inseriti nel corpo umano in
sostituzione di parti danneggiate
nella creazione di sostituenti del sangue
nella realizzazione di materiali per il trasporto di
composti chimici direttamente nel sito di trattamento
della malattia (drug delivery agent)
ESEMPI DI BIOMATERIALI E LORO PRINCIPALI APPLICAZIONI
pelle - cartilagine
impianti oculari
sistemi drug delivery
POLIMERI
protesi ossee
viti ortopediche
METALLI
BIOMATERIALI
SINTETICI
CERAMICHE
valvole cardiache
impianti dentali
impianti dentali
microelettrodi
impiantabili
MATERIALI
SEMICONDUTTORI
biosensori
INGEGNERIA DEI TESSUTI
L’ingegneria dei tessuti ha lo
scopo di riparare i tessuti e
gli organi danneggiati da
malattie, traumi o semplice
invecchiamento e quindi di
ripristinare quelle funzioni
perse degli organismi viventi.
Essa si
scaffold.
basa
sull’uso
di
Lo scaffold è una struttura di biomateriale, con forma e
architettura specifiche che fornisce il supporto 2D o 3D
in grado di ospitare e promuovere l'accrescimento e il
differenziamento di cellule staminali o progenitori
cellulari
CARATTERISTICHE DEGLI SCAFFOLD
Gli scaffold sono caratterizzati da una rete di pori
interconnessi in cui le cellule impiantate interagiscono
direttamente formando un nuovo tessuto.
I biomateriali che costituiscono gli scaffold devono
rispondere ad importanti requisiti:
avere le caratteristiche meccaniche del tessuto che si
vuole rigenerare
essere biocompatibili e citocompatibili
essere in grado di promuovere la rigenerazione dei
tessuti
poter essere riassorbiti e quindi sostituiti dai nuovi
tessuti
deve essere fornito di una struttura superficiale
adeguata a permettere l’adesione cellulare
ESEMPI DI BIOMATERIALI PER SCAFFOLD
Gli scaffold presentano varie
forme: fibre, impianti porosi con
pori chiusi o aperti, membrane.
Sono generalmente formati da:
polimeri poliesteri come l’acido
poliglicolico
(PGA),
l’acido
polilattico (PLA)
materiali inorganici riassorbibili
come
l’idrossiapatite
(Ca10(PO4)6(OH)2)
Bioceramica a base di idrossiapatite
utilizzata per la ricostruzione ossea
polimeri di origine naturale
quali
collagene
o
acido
ialuronico.
Immagine al microscopio elettronico
di un scaffold polimerico
FINE
