Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria dei materiali

 

Metallurgia dei metalli non ferrosi:

 

 

 

iL TITANIO E LE SUE APPLICAZIONI IN CAMPO biomedico

 

 

 

 

 

 

                                      Autore                                                                     Docente                                                  

 

                                      Federico Sella                                                           Prof. Diego Colombo

 

 

 

 

 

Anno Accademico 2007/2008

 

 

 

 

CENNI STORICI 2

IL TITANIO   4

Proprietà del titanio   5

METODI DI PRODUZIONE   7

NORMATIVA ASTM PER LA CLASSIFICAZIONE   8

LE LEGHE DI TITANIO   9

TRATTAMENTI TERMICI 11

IL TITANIO IN CAMPO BIOMEDICO   13

BIOCOMPATIBILITA’ DEL TITANIO   13

IPERSENSIBILITA’ 14

IMPIANTI CARDIOVASCOLARI 15

SPINAL SURGEY  17

IMPIANTI ORTOPEDICI 18

IMPIANTI INTRA-ORALI 20

VANTAGGI E SVANTAGGI DELL’UTILIZZO DEL TITANIO   21

CARATTERISTICHE  DELLE LEGHE PER LA COSTRUZIONE  DI IMPIANTI DENTALI 23

TITANIO PLASMA SPRAY  25

TITANIO SABBIATO   25

APPLICAZIONI ORTODONTICHE   26

IMPIANTI A VITE IN TITANIO TRATTATO   26

IMPIANTI RIVESTITI IN TPS   27

ESEMPI 28

LAVORAZIONI ORTODONTICHE DEL TITANIO   30   30

BIBLIOGRAFIA   34

 

 

 

CENNI STORICI     

 

Il titanio, che deriva il suo nome dalla mitologia greca secondo la quale i Titani erano i figli del cielo e della terra costretti a vivere tra le fiamme nascoste sotto terra, fu individuato ma non isolato quasi contemporaneamente in Inghilterra ed in Germania.

Nel 1791 in una valle della Cornovaglia (Menachan Valley) il reverendo inglese William Gregor, un mineralogista dilettante istruito al sacerdozio di Bristol e Cambridge, analizzando la sabbia del fiume Herford nei pressi della sua parrocchia, estrasse per mezzo di un magnete una polvere nera (che oggi sappiamo essere l’ilmenite, FeTiO3 (figura 1)), la quale venne trattata con acido cloridrico, eliminando il ferro ed ottenendo un residuo marrone rossastro; questo, a sua volta, fu disciolto in acido solforico concentrato, permettendo la produzione dell’ossido impuro di un nuovo elemento. Con un’ulteriore procedura spesso utilizzata per ridurre un minerale a metallo (il minerale polverizzato viene fuso con carbone di legna in polvere), Gregor ottenne un nuovo elemento metallico di scarsa purezza. Il religioso propose di chiamare la polvere magnetica “Menaccanite” (dal nome della sua città, Menachan) oppure “Georgium” in onore del re d’Inghilterra.

 Nel 1795 il chimico tedesco Heinrich Klaproth, analizzando dei minerali provenienti dall’Ungheria, individuò lo stesso ossido studiato da Gregor, ora conosciuto come rutilo (TiO2) (figura 1); egli dimostrò che la “Menaccanite” ed il rutilo erano minerali composti da uno stesso elemento metallico, battezzato “titanio”.

Il titanio allo stato elementare fu isolato solo nel 1825 da J. J. Berzelius che peraltro ottenne un campione abbastanza impuro.

Solo nel 1910 M.A. Hunter produsse quantità sufficientemente consistenti e pure per avviare gli studi sulle proprietà di questo nuovo metallo per riduzione con sodio di TiCl4.

Dal 1950 in poi si è avuto un incremento di produzione del Ti nell’ordine del 8% annuo, ma solo dal 1960 con scopi anche civili.

Dopo le industrie automobilistiche, aeronautiche per la sua grande tollerabilità, il titanio, viene largamente impiegato nella medicina traumatologica e nella chirurgia al punto di essere oggi impensabile poterne fare a meno.

Una forte presenza nel settore industriale si è determinata a partire dai primi anni 90, cioè da quando non è stato più considerato materiale strategico.

 

       

 

Figura 1: rappresentazione dell’ilmenite e del rutilo.

 

 

 

                                                                                                         

                                                                            

 

IL TITANIO     

 

 

Il titanio è un metallo che allo stato puro ha alcune proprietà degne di nota:

è il nono elemento in ordine di utilizzazione industriale ed il quarto tra i metalli per abbondanza, preceduto solo dall’ alluminio, dal ferro è dal magnesio. Ciò nonostante la sua estrazione è stata possibile solo dalla prima meta del novecento ad opera del metallurgista  W.J. Kroll . Le difficoltà estrattive derivano essenzialmente dalla sua affinità con elementi molto diffusi nell‘aria quali ossigeno idrogeno e azoto che da origine a soluzioni solide molto stabili e caratterizzate da elevata durezza e fragilità.

A temperatura ambiente il titanio presenta una struttura esagonale compatta (hcp) chiamata α (figura 2a), che si trasforma in fase β (figura 2b), cubica a corpo centrato (ccc), sopra la temperatura di 882,5 °C. Se polverizzato brucia in aria e le superfici esposte si passavano. Può essere lucidato a specchio e non reagisce con alcali e con buona parte degli acidi esistenti: per queste sue proprietà è presente in molte leghe.

 

 

 

Figura 2: (a) struttura esagonale; (b) struttura cubica.

 

           

 

 

Proprietà del titanio

 

 

Tabella 1: Principali caratteristiche del Ti.

Peso specifico

 4.5 g/cm3

Densità

4500 Kg/m3

Temperatura di fusione

1680 °C

Conduttività termica

17 W/m°C

Coefficiente di espansione lineare (20-100°C)

8.9*10-6  /°C

Conduttività elettrica

3% IACS (rame 100%)

Potenziale redox

+0.2 V

Modulo di elasticità di Young

116*109  N/m2

 

 

Dai valori riportati in tabella 1 si può notare come:

 

1)La conduttività termica è bassa; se ad esempio un fulmine colpisse un mezzo fatto in titanio, il riscaldamento non si dissiperebbe attraverso un flusso di calore ma si concentrerebbe localmente. Come conseguenza si avrebbe una fusione locale del pezzo. Questa caratteristica rende i pezzi in titanio difficili da lavorare alle macchine utensili. Infatti il titanio, non riuscendo a dissipare il calore della punta dell’ utensile, si fonde.

2)Il potenziale redox è positivo; il titanio quindi in caso di accoppiamento con un altro materiale tende a ridursi anziché ossidarsi. Questa caratteristica rende il titanio particolarmente adatto ad accoppiarsi con i materiali compositi. Inoltre il titanio ha un potenziale redox più elevato rispetto a quello di altri materiali. Ne consegue che resiste meglio a corrosione; proprio per questa ragione viene utilizzato per gli aerei che hanno un ambiente operativo che facilita la corrosione (es.  aerei imbarcati).

3)Peso specifico basso e temperatura di fusione alta rendono il titanio ideale per impieghi motoristici; infatti le parti motore devono pesare poco e resistere ad alte temperature.

 

Il titanio metallico fonde a 1668°C e bolle a 3260°C, a causa della sua leggerezza (4,5 g/cm3), delle sue buone proprietà meccaniche e della elevata resistenza ai vari agenti chimici viene impiegato in tecnologie particolarmente sofisticate.

Il titanio si passiva e resiste agli attacchi di acidi e base, meglio dell’acciaio inossidabile.

A temperatura ambiente resiste agli acidi minerali; a caldo si scioglie in HCl per dare derivati del titanio, ed anche in acido nitrico.

Agli alcali resiste sia a freddo che a caldo.

Il miglior agente solubilizzante per Ti è l’acido fluoridrico o acidi inorganici a cui è stato aggiunto F-, perché in queste condizioni si forma lo stabilissimo anione [TiF6]2-.

L’analisi dei potenziali di ossidoriduzione non giustificano questa inerzia (E°Ti2+/Ti = -1,63V), che quindi viene attribuita alla formazione di uno strato superficiale di TiO2.

Il titanio assorbe idrogeno reversibilmente formando gli idruri TiH, TiH2, TiH4; tuttavia la temperatura alla quale l’idrogeno viene riceduto (>1000°C) risulta troppo elevata perché tali idruri abbiano interesse pratico come “accumulatori di energia”.

Il diossido di titanio reagisce con KOH dando titanati  e con acido solforico concentrato dando sali di titanio:

 

TiO2   +   2KOH    K2TiO3   +   H2O

TiO2   +   2H2SO4    Ti(SO4)2   +   2H2O

 

Lo ione Ti4+ per il forte campo elettrico che genera,  per l’elevata carica e per le piccole dimensioni, si idrolizza:

 

Ti(SO4)2   +   6H2O    TiO2   +   2SO42-   +   4H3O+

 

Il titanio forma un gran numero di complessi in tutti i suoi stati di ossidazione (+4, +3, +2), ma i più stabili sono quelli con Ti4+ (di norma ottaedrici).

 

 

 METODI DI PRODUZIONE

 

Uno dei metodi di produzione più importanti prevede la riduzione dell’ossido di titanio, TiO2, mediante l’uso di carbonio (coke) in presenza di cloro, operando ad alte temperature (800 ÷ 900°C):

 

da “rutilo” (Fig. 3b)               TiO2   +   2C   +   2Cl2    TiCl4   +   2CO

                                                                                   950-1150°C

da “ilmenite” (Fig. 3a)          2FeTiO3  +  7Cl   +  6C               2TiCl4  +  2FeCl3  +  6CO

 

Il tetracloruro di titanio così ottenuto è un liquido inodore che bolle a 136°C; esso viene condensato fuori dal reattore e quindi purificato per distillazione.

Il tetracloruro viene successivamente ridotto, in atmosfera di argon, impiegando magnesio fuso (p.f. = 651°C), a 800°C:

 

TiCl4   +   2Mg    Ti   +   2MgCl

 

Il cloruro di magnesio fonde a 712°C e Mg fonde a 651°C, quindi dopo aver separato per filtrazione la maggior parte del prodotto fuso, le ultime quantità di cloruro di magnesio e Mg vengono allontanate sotto vuoto riscaldando a circa 1000°C. Il residuo è costituito da Ti spugnoso, da cui per fusione, sempre in atmosfera di argon, si ottengono i lingotti.

Titanio purissimo si ottiene trattando il titanio già puro con iodio a 200°C; si ottiene TiI4, i cui vapori fatti passare su fili di tungsteno riscaldati elettricamente a ≈ 1300°C si decompongono depositando titanio purissimo.

(a)           (b)

 

Figura 3: (a) ilmenite; (b) rutilo.

 

 

 NORMATIVA ASTM PER LA CLASSIFICAZIONE

 

 

Il titanio puro contiene ancora tracce di altri elementi; ciò è dovuto alla forte affinità del metallo con i gas atmosferici. Sopra la temperatura ambiente la sua resistenza decresce del 50% a 200°C, mentre lo sforzo a frattura rimane pressoché invariato. L’aumento della grandezza dei grani diminuisce la resistenza a trazione e il limite di snervamento, ma aumenta l'elongazione e la contrazione d'area a frattura.

Titanio a purezza commerciale: l’aumento del contenuto di ossigeno, azoto e idrogeno aumenta la resistenza e diminuisce la durezza; mentre l’ossigeno è l’unico elemento che viene aggiunto deliberatamente per dare resistenza maggiore, gli altri elementi insieme con ferro e carbonio sono introdotti durante la produzione come impurità.

 

 

Poiché il titanio cosiddetto "commercialmente puro" contiene comunque delle impurità, è stata creata dall’ASTM (American Society for Testing and Materials) una classificazione in 6 gruppi detti rispettivamente grado 1, grado 2, grado 3,  grado 4, grado 5, grado 9.

Per ciascuno di tali gruppi è stato definito il contenuto massimo di azoto, carbonio, idrogeno, ossigeno e ferro nonché i valori minimi di alcune caratteristiche meccaniche.

Grado 1: titanio commercialmente puro con basso contenuto di ossigeno. Questa qualità ha basso carico di rottura ed alta duttilità, viene utilizzato per il profondo stampaggio ed è adatto alla deformazione a freddo.

Grado 2: titanio commercialmente puro con un più alto contenuto di ossigeno ed una maggior resistenza rispetto al grado 1. E' il titanio commercialmente puro più largamente usato e offre il miglior compromesso di resistenza, saldabilità e formabilità.

Grado 3: titanio commercialmente puro con contenuto di ossigeno ancora maggiore del grado 1 e 2 (maggior resistenza e minor duttilità); inoltre è ben saldabile. Viene utilizzato per la costruzione di recipienti in pressione.

Grado 4: titanio commercialmente puro con le caratteristiche di resistenza più elevate. Viene utilizzato per organi di trasmissione e nell'industria aeronautica.

Grado 5 (Ti 6Al-4V): è la lega di titanio più utilizzata, ha altissimo carico di rottura ma relativamente bassa duttilità. Viene utilizzata principalmente nell'industria aeronautica e aerospaziale. È una lega saldabile.

Grado 9 (TI 3Al-2.5V): lega di titanio con il 3% di alluminio e il 2,5% di vanadio. Ha alto carico di rottura e buona resistenza alla corrosione. Questa lega è specifica e standardizzata per le tubazioni.

 

 

 

 LE LEGHE DI TITANIO

 

 

Come per altri metalli, nella maggior parte dei casi, il titanio viene utilizzato allo stato alligato. L’alligazione però ha dei pro e dei contro come riportato in tabella 2.

 

Tabella 2: vantaggi e svantaggi delle leghe di titanio.

 

 

 

 

Gli elementi alliganti sono comunemente distinti tra:

*      α – stabilizzanti; le sostanze alliganti entrano in soluzione preferibilmente nella fase α e ne aumentano la temperatura di stabilità. Tra questi elementi sono presenti: alluminio, ossigeno, azoto, zirconio, stagno.

*      b - stabilizzanti; le sostanze alliganti entrano in soluzione preferibilmente nella fase b e ne abbassano la temperatura di stabilità. Tra questi elementi sono presenti: vanadio, cromo, molibdeno, tungsteno, tantalio, niobio.

 

Le leghe si suddividono, in base alla percentuale di alliganti ed alla loro tipologia in:

*      Titanio commercialmente puro (CO): è il raggruppamento che contiene la maggior percentuale di titanio e che risulta addizionato di piccole quantità di elementi interstiziali (ossigeno in particolare); è caratterizzato da elevata resistenza a corrosione e possiede caratteristiche meccaniche di valore medio basso.

*      Leghe α: presentano buona saldabilità e mantenimento delle caratteristiche meccaniche anche a temperature elevate di esercizio, grazie al contenuto generalmente alto di alluminio . Hanno un range di resistenza di 830-1030 MPa Non consentono nessun trattamento termico; questo ne limita l’ impiego nei componenti particolarmente sollecitati.

*      Leghe b: sono le leghe che garantiscono le proprietà meccaniche più elevate. Generalmente non sono saldabili o hanno saldabilità molto limitata, vengono impiegate nelle costruzioni di bulloni, molle e parti fortemente sollecitate.

*      Leghe α+b: rientrano in questo gruppo le leghe di maggior impiego. Sono caratterizzate da elevate caratteristiche meccaniche e hanno un largo impiego nella produzione di parti per aerei. Includono la più comune lega di titanio Ti6Al4V la cui resistenza di 900 MPa può essere incrementata di circa 200 MPa per indurimento. La microstruttura finale è composta da piatti di fase alfa separati tra loro da fase beta. Questa lega vanta innumerevoli applicazioni in campo biomedico. Resistenze superiori ai 1000 MPa possono essere conseguite con un buon induriemento con le leghe Ti6Al6V2Sn e Ti4Al4Mo2Sn.

 

In generale la fase α promuove resistenza al creep , aumentando al resistenza a deformazione in temperatura e quindi crea problemi per la lavorazione. La struttura esagonale presenta limitate capacità di deformazione e fornisce duttilità molto legata all’ orientazione. E’ accompagnata da una buona saldabilità.

La fase b riduce la resistenza a deformazione ad alte temperature, ma tutte le proprietà meccaniche di una lega che contiene b dipendono fortemente dal trattamento termico.

 

 

 

 TRATTAMENTI TERMICI

 

 

Le leghe di titanio vengono trattate termicamente (Tabella 3 ) per:

*      ridurre le tensioni interne derivanti dalla formatura a freddo o dalle lavorazioni macchina;

*      migliorare la lavorabilità a freddo;

*      incrementare la resistenza meccanica.

 

 

Tabella 3: trattamenti termici.

 

IL TITANIO IN CAMPO BIOMEDICO

 

 

 

Sono stati fatti veloci e significanti progressi nello sviluppo di strumentazioni mediche e impianti che raggiungono anche la durata di più di venti anni. I materiali richiesti devono essere sempre più sofisticati e il titanio e le sue leghe sono stati sperimentati in numerose situazioni.

Molte leghe di titanio si sono rivelate adatte per applicazioni mediche; titanio puro e la lega Ti6Al4V ha trovato largo uso. Il successo “clinico” delle leghe di titanio è dovuto alle buone proprietà meccaniche, alla resistenza alla corrosione e una superiore biocompatibilità.

Il titanio gioca un ruolo fondamentale in numerose applicazioni chirurgiche in campo ortopedico, cardiovascolare e odontoiatrico.

 

 

 

 

 

   BIOCOMPATIBILITA’ DEL TITANIO

 

L’eccezionale biocompatibilità di questo materiale è stata riconosciuta da ricerche mediche. Il titanio ha una estremamente bassa tossicità ed è ben tollerato sia dai tessuti ossei che molli.

Esami istopatologici non hanno rilevato cellule mutate vicino agli impianti di titanio. E’ stato osservato con analisi spettrochimiche un aumento di elementi metallici nei tessuti adiacenti; comunque non sono stati rilevati effetti clinici negativi . Si ha un inscurimento del tessuto molle adiacente all’impianto di titanio CP, che può essere dovuto alla bassa durezza e alla scarsa resistenza all’abrasione del materiale non legato. Il titanio forma prontamente ossido di titanio o ossidi complessi e composti idruri. Quindi è possibile che parte del materiale rimosso dall’impianto sia immediatamente stabilizzato dalla formazione di questi composti inerti e i tessuti sembrano non dare risposta agli ossidi di titanio inerti chimicamente. L’ossido di titanio è usato in creme per trattamenti dermatologici. Attenti esami dei tessuti adiacenti alla lega Ti6Al4V hanno rilevato né cellule grandi non macrofaghe, né altri segni di infiammazione. Il materiale si è rivelato quindi sicuro in applicazioni intravascolari grazie alla alta elettronegatività e alla superficie passive(Fig. 4).

 

Figura 4: processi chimici che avvengono all’interfaccia impianto biotessuti.

 

 

 IPERSENSIBILITA’

 

Alcuni pazienti possono essere allergici a metalli in contatto con la loro pelle. Sono conosciute reazioni allergiche di varia intensità ai materiali di impianti e casi di dermatiti “eczematous” in relazione a esposizioni interne. Vista la buona resistenza alla corrosione questi materiali sono utilizzati per impianti ortopedici così come l’acciaio inossidabile e leghe cobalto-cromo, producono piccole quantità di prodotti di corrosione possono essere responsabili di reazioni allergiche. Comunque il meccanismo immunologico esatto non è ancora stato capito completamente nei pazienti con impianti. Titanio non causa ipersensibilità e le sue leghe sono le uniche disponibili che non contengono elementi che causano sensibilizzazione.

 

 IMPIANTI CARDIOVASCOLARI

 

Il titanio è usato soddisfacentemente in dispositivi chirurgici cardiovascolari da più di venti anni. La figura 6 mostra la valvola aortica Starr-Edwards. In pazienti con malattie irreparabili alle valvole del cuore è cucita una gabbia di titanio contente una palla nella aorta.

Più di 80000 pazienti hanno ricevuto questa o una protesi simile dal 1965, con veramente poche avarie strutturali.

 

Figura 6: valvola aortica Starr-Edwards.

 

Attacchi di cuore o altre cause provocano disfunzioni cardiache per le quali il paziente può richiedere un temporaneo o permanente pacemaker; la figura 7 mostra un generatore di impulsi contenete un generatore di potenza litio-iodine e un circuito elettrico protetti da un involucro ermetico di titanio (Fig. 7).

 

Figura7: generatore di impulsi

 

Il generatore di impulsi può essere impiantato nella cavità addominale e collegato al muscolo cardiaco con i pacing electrodes (Fig. 8).

 

Figura 8: generatore di impulsi nella cavità addominale.

 

Il titanio è stato scelto per questa applicazione per la sua superiore resistenza alla corrosione, per la leggerezza e per la lavorabilità. Inoltre la sottile parete di titanio permette radiopaque identification marking.

Nel 1982 fu effettuato il primo impianto di cuore artificiale, che permise a Berny Clark di sopravvivere per 112 giorni(University of Utah).

Il 2001 fu l’anno del primo impianto di cuore artificiale nell’uomo senza collegamenti esterni (Fig. 9).

 

Figura 9: primo impianto di cuore artificiale senza collegamenti esterni.

 

 SPINAL SURGEY

 

Cavi e viti in titanio sono stati usati con significativi successi medici per la correzione chirurgica della scoliosi. Lo strumento in titanio è conosciuto come sistema Dwyer (Fig. 10).In questa procedura, viti e graffette sono inserite nelle vertebre nella zona di curvatura della spina, successivamente il cavo è infilato attraverso l’occhiello nella testa della vite. Con l’aiuto di un tenditore, il cavo è teso dando l’effetto di raddrizzamento del segmento della spina in questione. Infine, gli occhielli delle teste delle viti sono stretti per fissare il cavo nella posizione corretta. La duttilità del titanio CP consente di il fissaggio senza portare alla rottura delle teste delle viti.

Il cavo di titanio CP di grado 2 ha la flessibilità e resistenza desiderate per questa applicazione. Il titanio e le sue leghe non sono soggetti a cervice corrosion ai vari valori di pH presenti nel corpo umano.

Figura 10: sistema Dwyer

 

 

 

  IMPIANTI ORTOPEDICI

 

Quando un’articolazione è irrimediabilmente danneggiata per trauma o patologia è necessario sostituire la sua funzione mediante un’articolazione artificiale detta protesi.

Con l’aumentare dell’aspattativa di vita media e con la ricerca di una migliore qualità della vita anche in età avanzata è molto aumentato il ricorso all’intervento di protesizzazione ortopedica (Fig.11).

Figura 11: tipici esempi di protesizzazione.

 

Al giorno d’oggi in Italia vengono impiantate ogni anno circa:

*      50000 protesi d’anca

*      25000 protesi di ginocchio

*      Alcune migliaia tra protesi di spalla, gomito, caviglia, ecc.

Gli usi di impianti ortopedici di titanio sono più comunemente indicati per inabilità artritiche usualmente di origine reumatoide o degenerative. Le protesi in lega di titanio sono state utilizzate nelle sostituzione totale dell’anca (Fig.12) , sostituzioni di articolazioni del dito, sostituzione totale del ginocchio, sostituzione totale del gomito e e dispositivi di fissaggio di fratture. Il concetto della sostituzione totale dell’anca è relativamente semplice. Vari progetti e materiali dei tipi di ball-and-socket sono stati sperimentati con diversi gradi di successi clinici.

 

Figura 12: visione dell’anca.

 

 

Nel caso di protesi non cementate gli steli devono essere poco rigidi, si utilizzano pertanto leghe di titanio con basso modulo di elasticità, nell’ordine dei 110 GPa e basso momento d’inerzia. In protesi cementate invece gli steli devono essere rigidi e devono avere un elevato momento d’inerzia; proprio per questo anziché il titanio si usano leghe in cobalto con modulo elastico di circa 230 GPa.

Titanio CP formato in fogli forati viene utilizzato nella ricostruzione e nella plastica per problemi di chirurgia maxillofacciale. L’eccezionale biocompatibilità e la facilità con cui può essere formato il materiale fa del titanio un materiale ideale per queste applicazioni. La rete (Fig.13) può essere fissata all’osso con piccole viti e può trattenere i frammenti di ossa.

 

Figura 13: Rete in titanio.

 IMPIANTI INTRA-ORALI

 

Sono stati utilizzati vari materiali e progetti in impianti endossei (Fig.14) con i quali strumenti possono essere ricostruite le dentature. Gli impianti in lega di titanio sono stati introdotti recentemente per evitare l’insorgere di problemi di allentamento dell’impianto e di riassorbimento dei tessuti riscontrato con altre leghe.

 

Figura 14: impianto endosseo.

 

 

 

La figura 14 illustra una nuova combinazione di una costruzione solida e porosa che mette in grado le cellule d’osso di crescere sull’impianto per provvedere alla stabilizzazione. L’impianto consiste di un gambo in lega di titanio e di una regione di metallo fibroso composto da fili di titanio CP compressi e sinterizzati. Da quattro a sei settimane dopo l’inserimento, l’impianto è stabilizzato nella struttura ossea mentre il gambo sporge attraverso la gengiva ed è pronto per la costruzione del dente artificiale. Il gambo lucidato permette al tessuto molle di crescere intorno ad esso, provvedendo ad un’effettiva protezione contro la penetrazione dei batteri dalla cavità orale.

Da alcuni anni i ricercatori hanno cominciato a prendere in considerazione il Ti come un materiale utilizzabile nell'odontoiatria restauratrice ed in implantologia, soprattutto per la sua biocompatibilità ma anche per la resistenza alla corrosione, il basso peso specifico (4 volte inferiore a quello dell'Oro) e la sua bassa conducibilità termica (14 volte minore a quello dell'Oro). Ne sono esempi del suo impiego da parte dell'industria, la realizzazione degli impianti, componenti protesici, perni monconi, fili ed archi per ortodonzia.

Si stanno sviluppando in tale settore, le tecniche di fusione ed elettroerosione per la realizzazione di strutture metalliche in protesi fissa e scheletrata.

 

 

 VANTAGGI E SVANTAGGI DELL’UTILIZZO DEL TITANIO

 

Vantaggi:

 

*      Biochimicamente inerte

*      Biotollerabilità

*      Resistenza alla corrosione

*      Atossicità

*      Assenza di sapore

*      Bassa conducibilità termica

*      Basso peso specifico

*      Radiotrasparenza

*      Durezza

*      Resistenza alla masticazione

 

 

Svantaggi:

 

*      Fusione non sufficientemente precisa

*      Formazione di uno strato di ossido sulle superfici

*      Distacchi del rivestimento in ceramica

*      Porosità interne

*      Porosità superficiali che permettono accumuli di placca superiori rispetto alle leghe tradizionali.

 

La tecnica di fusione è il passaggio che crea più problemi durante la lavorazione del Ti, soprattutto a causa dell'elevata tendenza del Ti a reagire con i componenti dell'atmosfera, come Ossigeno, Idrogeno ed Azoto e con la maggior parte degli elementi presenti in essa alla temperatura di fusione.

Le proprietà intrinseche del Ti, lo rendono un metallo difficile da fondere e da colare, per questo motivo sono state apportate delle modifiche ai tradizionali sistemi di fusione, immettendo nel mercato forni fusori (Fig. 15) in grado di avere una fonte di calore sufficientemente potente da fondere il Ti; avere un completo isolamento del Ti dall'atmosfera; sviluppare un crogiolo che possibilmente non reagisca con il Ti fuso; avere un'alta velocità di fusione. Inoltre, anche le caratteristiche di colabilità e solidificazione del Ti sono particolari e richiedono una tecnica di modellazione e di messa in fusione, modificata rispetto a quelle usate per le leghe tradizionali.

 

Figura 15: forno fusorio.

 

Anche per la saldatura bisogna ricorrere a sofisticati sistemi come la saldatura al plasma o quella al laser. Il sistema migliore è il laser, si ottengono saldature omogenee, stabili, prive di tensioni e dì ossidazioni, in quanto il Ti non viene a contatto con l'aria ma con un gas inerte come l'Argon. L'apparecchio funziona ad impulsi di pochi millisecondi che fondono in modo puntiforme la struttura. La struttura in Ti può essere rivestita esteticamente sia in ceramica che in composito. La compatibilità tra la massa ceramica e la struttura, dipende da tre fondamentali fenomeni fisici specifici del Ti: la modifica allotropica del reticolo cristallino a 882°C, la capacità di ossidazione del Ti che al salire della temperatura aumenta in modo quasi incontrollabile e il basso coefficente di espansione termica del metallo. L'industria ha sviluppato speciali ceramiche, a basso punto di fusione, nelle quali la cottura avviene al di sotto degli 800°C, inferiore quindi alla temperatura di modifica cristallina del Ti puro. La bassa temperatura di cottura consente un'ossidazione minore della struttura: maggiore è l'ossidazione più debole è il legame tra ceramica e travata. Anche il coefficente di espansione termica è più basso, avvicinandosi a quello del Ti. I compositi stanno avendo un ruolo importante nelle ricostruzioni in odontoiatria, sia per l'estetica che per la funzionalità. Con il rivestimento estetico del Ti con essi, grazie alla silanizzazione della superficie metallica, si ottiene una buona unione chimico-fisica fra la struttura metallica e il materiale composito.

 

 

 CARATTERISTICHE  DELLE LEGHE PER LA COSTRUZIONE  DI IMPIANTI DENTALI

 

Tra le leghe di più largo impiego per la costruzione di impianti, la più utilizzata contiene il 6% di Al ed il 4% di vanadio (Ti6Al4V). L'Al viene aggiunto al Ti per migliorare la durezza e ridurre il peso specifico, ma risulta migliorato anche il modulo elastico E. Quindi la lega Ti6Al4V presenta una elasticità maggiore permettendo una più equa distribuzione del carico nelle zone interfaciali osso-impianto, poiché il modulo E dell'osso e del materiale implantare sono simili. L'aggiunta al titanio dell'Al e del Va riduce del 50% circa la conducibilità termica e ne aumenta la resistenza all'usura da fatica di circa la meta. Sono importanti per il successo dell'impianto le proprietà di superficie del materiale utilizzato. Durante le procedure di lavorazione meccanica il metallo è esposto all’atmosfera e ad altre sostanze come lubrificanti e liquidi refrigeranti. Il contatto con l’aria porterà ad una rapida formazione di uno strato di ossido di Ti di circa 10 Å in meno di un millesimo di secondo. Nel giro di un minuto lo spessore di questo aumenterà fino a circa 50-100 Å.

Altra tappa importante nella preparazione degli impianti è rappresentata dalla sterilizzazione ad ultrasuoni in autoclave (Fig.16). Questa procedura contribuisce ad aumentare lo spessore dell’ossido. Gli ossidi reperibili sulla superficie del Ti sono: il TiO, TiO2, TiO3, e tracce di ossido di Al e V.I1 TiO2 è il più stabile ed è quindi il più frequente sulla superficie del Ti e delle sue leghe. Tale ossido carica negativamente l'impianto aumentandone l'affinità per le differenti biomolecole.

 

Figura 16: autoclave per sterilizzazione

 

Durante le varie fasi d’inserimento dell'impianto, l'ossido può essere danneggiato, ma si riforma istantaneamente. Il vero protagonista dell’osteointegrazione è l'ossido di Ti in quanto è in grado di passivare i suddetti materiali prevenendone la corrosione a causa della elevata stabilità chimica. L'ossido è dotato di un'altra caratteristica importante: previene la diffusione di ioni metallici all'interno dei tessuti, conferendo al titanio un alto grado di biocompatibilità. Nonostante la ridotta diffusione di ioni di Ti all’interno dei tessuti è possibile riscontrare, talvolta, particelle di Ti. La superficie del titanio può essere preparata con differenti tecniche allo scopo di ottenere un grado di rugosità superficiale ottimale. Fra le diverse metodiche vanno elencate la sabbiatura ed il plasma spray di titanio. La preparazione di rugosità superficiali ha lo scopo di ottenere una migliore resistenza alla torsione e trazione dell’interfaccia osso-impianto che sarebbe assicurata dalla microritenzione. Studi istologici hanno dimostrato la crescita di osso mineralizzato all'interno delle irregolarità superficiali del titanio, aumentando in tal modo il legame che si viene a stabilire tra il tessuto osseo ed i biomateriali.

 

 

 TITANIO PLASMA SPRAY

 

Una delle tecnologie attualmente più utilizzate allo scopo di aumentare la rugosità superficiale degli impianti endossei orali consiste nel rivestimento di cilindri di titanio liscio o filettato con polveri di titanio (Fig. 17). Tale processo si attua mediante un bruciatore al plasma ad arco voltaico che è in grado di elevare la temperatura di un gas nobile o di N2/H2 nel quale vengono spruzzate polveri di idruro di titanio con granulometria di 50- 100 μm che, grazie alla fusione del loro strato più superficiale, aderiscono al corpo del cilindro sul quale vengono deposte. Il plasma si produce tra un anodo di rame ed un catodo di tungsteno raffreddati. Si ottengono, in questo modo, rivestimenti porosi di spessori di circa 50 μm con un aumento della superficie totale disponibile per il legame fino a circa dieci volte. Numerosi studi hanno dimostrato che la preparazione con plasma spray di titanio, non solo permette di aumentare la superficie disponibile per l’adesione ossea, ma induce l'aumento della quota di superficie implantare che entra in contatto con il tessuto mineralizzato, in comparazione con impianti in titanio liscio. In termini clinici tali fenomeni si riflettono in un più forte ancoraggio osseo dell’impianto. Studi ultrastrutturali hanno dimostrato che una superficie di titanio plasma spray può entrare in diretto contatto con il tessuto mineralizzato.

 

Figura 17: titanio plasma spray al microscopio elettronico a scansione (SEM).

 

 TITANIO SABBIATO

 

Il grado di resistenza alle forze di taglio con impianti osteointegrati in titanio dipende dalla reazione biologica che si ha all'interfaccia. Gli impianti a vite hanno, in linea teorica, una resistenza alla trazione e compressione maggiore di un impianto cilindrico a superficie liscia. La sabbiatura della superficie del titanio migliora le caratteristiche biomeccaniche dell'impianto (Fig. 18).

 

Figura 18: titanio sabbiato al microscopio microscopio elettronico a scansione (SEM).

 

È tuttavia necessario che la preparazione di superficie non alteri le caratteristiche di biocompatibilità . Anche la stabilità primaria risulta migliorata in impianti a superficie sabbiata, fatto, questo, che contribuisce ad accelerare la velocità di contatto con l'osso. L'aumento di resistenza alle forze interfacciali sembra essere legato all'aumento della superficie disponibile per il contatto osseo, che è funzione del grado di rugosità superficiale. Un secondo fattore cruciale nel rapporto tra impianti con superfici rugose e tessuti biologici sembra essere legato al particolare trofismo che certe cellule, quali macrofagi, cellule epiteliali ed osteoblasti mostrano nei confronti di certe superfici rugose, fenomeno che può essere definito rugofilia (Brunette, 1988; Smith, 1991). Alcuni studi in vitro hanno dimostrato che cellule osteoblastiche aderiscono a superfici sabbiate con granuli di circa 100 C1 e non su superfici di titanio liscio. Sembra, infatti, che i processi osteogenetici abbiano un inizio più precoce su superfici rugose rispetto al titanio liscio.

 

APPLICAZIONI ORTODONTICHE

 

             IMPIANTI A VITE IN TITANIO TRATTATO

 

Tali impianti offrono un significativo aumento dell’area di superficie rispetto agli impianti in Ti liscio, aumentando la ritenzione meccanica e il contatto osso-impianto (Fig.19) .

 

Figura 19: vite in titanio che simula la radice del dente estratto.

 

Il procedimento utilizzato RBM (resorbable blast media) crea sull’impianto una superficie ruvida priva di elementi inquinanti. Tale procedimento si avvale di una sabbiatura a mezzo di idrossilapatite riassorbibile. L’enorme vantaggio di tale tecnica è quello di utilizzare un materiale completamente biocompatibile. Le caratteristiche ibride dell’impianto uniscono i vantaggi di una superficie ruvida per una migliore osseointegrazione rispetto impianti con superficie liscia per un miglior mantenimento dei tessuti molli (Fig.20). Solitamente tali impianti sono realizzati in titanio commercialmente puro di grado 3. Questa tipologia di impianti non presenta rivestimenti superficiali; necessita dunque una maggiore attenzione per quanto riguarda la osseointegrazione del metallo. Per favorire ciò la superficie della vite viene sterilizzata, prima del packaging, con raggi gamma. Il titanio utilizzato per questa struttura è sempre del tipo commercialmente puro di grado 3.

 

Figura 20: esempio di impianto completo di corona protesica.

 

             IMPIANTI RIVESTITI IN TPS

 

I rivestimenti in TPS (Titanio Plasma Spray) sono impiegati con successo da molti anni, sia negli impianti ortopedici che in quelli dentali. Il rivestimento in plasma spray di titanio puro aumenta notevolmente l’area di superficie dell’impianto, e la ritenzione meccanica nell’osso al momento dell’inserimento. Le numerose asperità sulla superficie TPS consentono un’integrazione “tridimensionale” e quindi una solida interconnessione. Per il rivestimento in TPS si utilizza un processo avanzato in plasma spray sotto vuoto (VPS), in grado di produrre un rivestimento metallurgicamente saldato al substrato dell’impianto. Tale rivestimento presenta inoltre eccezionali proprietà di resistenza alla trazione, al taglio e a fatica. Il corpo dell’impianto è solitamente realizzato in lega di titanio Ti6Al4V.

Fino da 1989 si sono commercializzati impianti rivestiti in idrosilapatite di elevata qualità. Questo rivestimento clinicamente testato è perfettamente in regola con le normative riguardanti lo standard di purezza FDA e ASTM. Anche nel caso di impianti rivestiti di HA (idrossiapatite) il corpo centrale è costituito di lega Ti6Al4V per i motivi visti prima.

Esistono principalmente due tipologie di impianto rivestito: quello cilindrico e quello a vite. Nel secondo caso abbiamo una maggiore superficie di contatto con l’osso ed una buona ritenzione meccanica.

Un tempo si utilizzavano impianti con testa avente un foro esagonale ed inseribili attraverso chiavi ortodontiche , ultimamente gli impianti sono realizzati con teste esagonali applicabili nell’osso attraverso apposito cicchetto. Gli strumenti ortodontici per mettere in opera gli impianti (chiavi, cicchetti, maschiatori, alesatori, punte da trapano ,ecc.) sono realizzati quasi in toto o in acciaio inox o in nitruro di titanio e titanio (a causa della simile, ma maggiore resistenza meccanica rispetto agli impianti).

 

 

  ESEMPI

 

1)  Protesi avvitata

 

La protesi avvitata (Fig. 21) è composta da impianto, pilastro, cilindro e vite di tenuta e permette

di realizzare:

*      Dente singolo e ponte;

*      Protesi mobile con ritenzione a barra.

 

Figura 21: esempio di protesi avvitata.

 

 

2) Protesi fissa cemenetata

 

La protesi fissa cementata (Fig. 22) è composta da impianto, pilastro e vite di fissaggio e permette di realizzare:

*      Protesi cementate come nelle tradizionali tecniche di protesi fissa;

*      Dente singolo o ponti a più elementi;

La vite di fissaggio può essere realizzata in oro o titanio; si preferisce, visto il minor  prezzo del Ti rispetto all’oro, optare per soluzioni in titanio.

 

Figura 22: esempio di protesi fissa cementata.

 

 3) Overdenture

 

 Per overdenture si intende un sistema costituito da una Protesi totale mobile sono radici artificiali in titanio composte da due parti distinte: la vite (fixture) e la testa (abutment) (Fig. 23). La vite è quella parte che deve essere inserita nell'osso mascellare o nella mandibola, ed è una vera vite filettata che deve essere avvitata. Nella parte che sporge dall'osso dopo essere stata inserita, ha una filettatura femmina nella quale deve essere avvitata la testa. Gli ultimi modelli di viti prevedono l'accopiamento conometrico tra vite ed testa, piutosto che l'accopiamento tramite filetatura. La testa è composta da una sfera con un prolungamento filettato che si inserisce avvitandolo, nella vite. A procedimento terminato si vedranno, sporgere dalla mucosa delle piccole sfere metalliche. Queste costituiscono gli attacchi sui quali sarà ancorata la dentiera. La dentiera, inoltre, deve poter essere fissata alle sfere. A questo scopo vengono inseriti nella base della dentiera, in corrispondenza delle sfere, delle calotte in teflon che saranno il congiungimento tra la dentiera stessa e l'impianto. Questo sistema rende stabile la dentiera mantenendo la possibilità di toglierla, pulirla e reinserirla con facilità.

Figura 23: overdenture.

 

 4)Scheletrati

 

Gli scheletrati sono delle soluzioni che permettono di montare i denti su un supporto resinoso nel quale è stato inglobato un arco di titanio puro, oro o lega Cr-Co che andrà ancorato in maniera mobile (clips o ganci) o fissa alla bocca. Tale arco di titanio è impropriamente detto scheletrato (anche se la parola si riferisce in realtà a tutta la soluzione ortodontica) (Fig. 24). Lo scheletrato in titanio è realizzato attraverso fusione e colata in forni fusori e, se possibile, vengono realizzati con assenza di saldature.

L’utilizzo di un unico metallo (quale il titanio) permette di eliminare il rischio di una corrosione di contatto galvanica nel cavo orale, solitamente data dalla presenza di diverse leghe.

 

Figura 24: esempio di scheletrato.

 

 

LAVORAZIONI ORTODONTICHE DEL TITANIO

 

Fusione

 

Dal 1990 esistono in commercio macchine per la fusione del titanio senza che la sua struttura cristallina possa essere alterata. Ciò nonostante i rivestimenti idonei a ricevere una fusione così pura senza alterarla entrano in scena due anni più tardi circa. Da questo momento non è difficile notare che il titanio trova un sempre più ampio uso nelle protesi odontoiatriche.

Questo è dovuto soprattutto alle sue caratteristiche vantaggiose per le ricostruzioni odontoiatriche quali: la biocompatibilità, la resistenza alla corrosione, la bassa conduttività termica e il basso peso specifico del materiale. Specialmente nel campo dell'implantologia il titanio trova un uso sempre più frequente per le strutture su impianti.

Dall'evoluzione del precedente modello a doppia camera dove la fusione e colata avvenivano in camere separate, è nata l'ultima innovazione nella fusione e colata del Titanio. Il sistema monocamera (brevetto Orotig) permette di ottimizzare le caratteristiche della pressofusione nella colata del titanio. Questa nuova configurazione monocamera, permette di fondere il Titanio, sul crogiolo di rame, vicinissimo al cono di alimentazione del cilindro di colata così da avere un tempo di trasferimento più breve del Titanio fuso dal crogiolo al modellato, mantenendone la massa più calda e compatta e con tempi di riempimento del modellato molto più rapidi. Queste caratteristiche portano ad una riproduzione estremamente fedele dei margini delle modellazioni e l'utilizzo di tecniche più semplici da parte dell'operatore. La stessa configurazione monocamera permette di fondere il Cromo-Cobalto con la sola sostituzione del crogiolo.

Vantaggi principali:

*      Il titanio fuso è vicinissimo al cono di alimentazione del cilindro di colata ;

*      Il trasferimento del titanio fuso dal crogiolo al cilindro di colata, risulta molto breve e la massa di titanio rimane molto compatta ;

*      Il titanio perde meno calore e viene quindi iniettato nel cilindro ad una temperatura più elevata ;

*      Doppia valvola di sovra-pressione per una iniettata del titanio pressoché istantanea

*      Riproduzione estremamente fedele dei margini delle modellazioni ;

*      Semplicità nelle operazioni di caricamento e posizionamento del cilindro di colata nella fonditrice ;

*      Doppio controllo del vuoto tramite dispositivo analogico, per basso livello di vuoto, e sonda Pirani per verifica dell'alto vuoto ;

*      Sistema di fusione completamente automatico;

 

 

 Saldatura laser

 

Il laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated emission of radiation (amplificazione della luce mediante emissioni stimolate di radiazioni). La saldatura laser rappresenta oggi la soluzione più veritiera e futurista nell'assolvimento delle metodiche e delle normative che riguardano l'unione e l'assemblaggio di componenti protesiche dentali. Saldare con il laser diventa così non solo un sistema avanzato, ma si trasforma in una filosofia di lavoro che mira alla totale biocompatibilità, tanto quanto alla ergonomizzazione dell'operatività e della gestione dell'impresa. La migliore integrazione nel laboratorio è rappresentata soprattutto dalla facilità d'installazione e di utilizzo. In figura 25 è rappresentata una saldatrice di tipo laser in azione.

 

Figura 25: saldatrice laser.

 

Elettroerosione

 

Il fresaggio dell’apparecchio in titanio prodotto ha la funzione di eliminare le eventuali forze (quelle verticali verso il basso, le trasversali e le orizzontali ) che nascono nel caso eventuale esistessero delle imprecisioni di montaggio o di sagomatura dell’eventuale protesi o scheletrato.

Il frenaggio si esegue principalmente per elettroerosione del metallo. L'elettroerosione è in uso da quasi 50 anni nell'industria degli utensili e degli stampi. L'idea dell'elettroerosione venne, da parte dell'uomo, dall'osservazione del fulmine: una forma naturale di elettroerosione. Alla fine del 1700 Sir Joseph Priestij studiò il fenomeno della scarica elettrica e il suo effetto erosivo sui conduttori metallici.

Poco dopo la II Guerra Mondiale, i fratelli russi Lazarenko annunciarono la loro prima macchina ad erosione elettronica. I progressi tecnologici che si sono avuti tra gli anni 1950 e gli anni 1970 hanno fatto sì che l'elettroerosione divenisse un'importante processo di fabbricazione per l'industria.

Particolarmente importante è stata l'invenzione del transistor, perché i comandi a stato solido hanno aumentato la velocità e l'affidabilità dell'apparecchiatura. L'applicazione della tecnologia dei computer durante gli anni '70, ha fornito maggiore accuratezza al processo ed ha reso possibile lo sviluppo di macchine per elettroerosione più sofisticate. L'elettroerosione può essere definita un processo di rimozione del metallo che, attraverso un elettrodo di polo opposto, attiva delle scintille attraverso un campo magnetico(Fig. 26). Tutta questa lavorazione è eseguita in mezzo liquido fluido in condizioni accuratamente controllate: il mezzo fluido, solitamente un olio fluido, viene chiamato olio dielettrico. Esso funge da isolante, conduttore e refrigerante e sciacqua via le particelle di metallo asportate dalle scintille.

 

Figura 26: principio di funzionamento elettroerosione.

 

 

In figura 27 è illustrato un esempio di macchina per elettroerosione.

 

Figura 27: esempio di macchina per l’elettroerosione.

 

 

 

BIBLIOGRAFIA

 

-          Titanium '92-Science and technology, Volume III, 1992, San Diego California

-          Titanium technology: present status and future trends, 1985, Dayton OH

-          M. Fidanza, Nuovi biomateriali per le protesi d'anca

-          L. Torrisi, Nitridation processes of titanium for biomedical protheses, Vol.17, 1999, Metallurgical Science and Technology, pag 27-30

-          Corrosione nei materiali impiantabili ed invecchiamento dell’osso, Antòn Voitik . Tratto da  L/98 – Rivista Italiana degli Odontotecnici

-          www.ing.unitn.it/~colombo

-          www.fedekiko.com

-          www.orotig.com