Riassunto analitico
Negli ultimi decenni la ricerca in campo biomedico ha acquisito un'importanza sempre maggiore. A causa del progressivo invecchiamento della popolazione, un settore di grande sviluppo è quello dei materiali per le protesi ossee. Nonostante la realizzazione di impianti protesici sia una pratica già matura e consolidata, la ricerca è in continua evoluzione con lo scopo di aumentare sia la compatibilità delle protesi con i tessuti ospiti che l'aspettativa di vita delle protesi stesse. Scopo di questo lavoro di tesi è la produzione di rivestimenti per protesi che siano in grado di aumentare l'adesione tra impianti protesici ed i tessuti ossei. Per la realizzazione dei rivestimenti sono stati presi in considerazione dei materiali bioattivi, ossia speciali materiali in grado sia di favorire la formazione di nuovi tessuti ossei sia di legarsi con essi. In particolare, questo studio si è occupato di due tipologie di materiali bioattivi: l'idrossiapatite ed i biovetri. L'idrossiapatite è il materiale ceramico bioattivo attualmente più utilizzato in campo biomedico, sia per la sua composizione molto simile a quella della componente minerale delle ossa, sia per la sua elevata stabilità in ambiente biologico. I biovetri sono invece vetri speciali caratterizzati da una elevatissima bioattività. Purtroppo l'utilizzo di l'idrossiapatite e biovetri in impieghi strutturali è precluso dalle loro proprietà meccaniche, in particolare dalla loro fragilità. Una soluzione a questo problema è l'utilizzo dei materiali bioattivi per la realizzazione di rivestimenti su protesi metalliche; in tal modo la peculiare capacità di legarsi ai tessuti ossei dei materiali bioattivi viene abbinata alle elevate proprietà meccaniche tipiche dei metalli. Il metodo di produzione di rivestimenti bioattivi attualmente più utilizzato è il plasma spray, in particolare in questo studio si è utilizzato una recente evoluzione di questa tecnica: il plasma spray da sospensione. La differenza tra questa tecnica ed il tradizionale plasma spray risiede nell'utilizzo di materie prime in forma di sospensione invece che di polveri secche; ciò consente di processare particelle sub-micrometriche o nanometriche e quindi di ottenere rivestimenti dalla microstruttura più fine. Nella prima parte di questo lavoro si sono studiati dei biovetri massivi di diversa composizione, al fine di selezionare le composizioni più promettenti per la produzione di rivestimenti. Nello specifico si è effettuato uno studio in vitro per comparare la bioattività dei diversi biovetri. In seguito sono stati studiati i parametri di deposizione ottimali per la produzione di rivestimenti in biovetro. I rivestimenti sono poi stati caratterizzati da un punto di vista microstrutturale, meccanico e ne è stata testata la bioattività. Si è poi proceduto producendo ed analizzando dei rivestimenti con strutture composite in biovetro e idrossiapatite. Nella fattispecie si sono realizzati dei rivestimenti con tre microstrutture composite: a miscela, a doppio layer, e con gradiente di composizione. L'obbiettivo di questi sistemi è quello di fondere l'elevata bioattività dei biovetri con la stabilità dell'idrossiapatite. I campioni così ottenuti sono stati caratterizzati, e il composito a gradiente di composizione è stato selezionato per un'ulteriore ottimizzazione dei i parametri di processo. E' stato quindi prodotto un rivestimento con gradiente di composizione mediante un sistema simile a quelli utilizzati in ambito industriale. Questo rivestimento è stato analizzato dal punto di vista microstrutturale e meccanico sia prima che post test in vitro, in modo da valutarne sia la bioattività che la stabilità.
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Abstract
In last decades, biomedical research has acquired a growing importance. Moreover, the progressive aging of the population is driving the development of materials for bone implants. Despite the production of prosthetic implants is a practice already mature and well-established, research is constantly evolving with the aim of increasing the compatibility of the prosthesis with host tissue and extend their life expectancy.
The purpose of this study is the production of coatings for prostheses that are able of increasing the adhesion between prosthetic implants and the bone tissues. Bioactive materials, namely special materials able to promote the formation of bone tissues and to bond with them, were selected as coatings materials. In particular, this study is focused on two types of bioactive materials: hydroxyapatite and bioactive glasses. Hydroxyapatite is a ceramic material which has a composition and a structure very similar to those of the mineral component of bones. Moreover hydroxyapatite is highly stable in biological environment. For these reasons, this ceramic is currently the most used bioactive material in the biomedical field. Bioactive glasses, instead, are special glasses which exhibit a great bioactivity. Unfortunately, the use of hydroxyapatite and bioglass in structural applications is precluded by their mechanical properties, in particular their fragility. To solve this problem, bioactive materials can be successfully used for the coatings production on metal prostheses. In this way the bone-bonding ability of bioactive materials is combined with the high mechanical properties typical of metals. Plasma spray is the most widely used technique for the production of bioactive coatings. In this study, a recent evolution of this process has been used: the suspension plasma spray. The difference between the new technique and conventional plasma spray is the feedstock materials. The new process uses suspensions instead of dry powders; in turn that allows to process sub-micrometric or nanometric particles and therefore to obtain coatings with fine microstructure. In the first part of this work, bulk bioactive glasses with different compositions were studied for selecting the most promising one for the coatings production. Specifically, a study to compare their in vitro bioactivity was carried out. Following, the deposition parameters to produce bioactive glass coatings were optimized. The coatings were microstructurally, and mechanically characterized; also bioactivity test were carried out. Then, composite coating bioactive glass/hydroxyapatite were produced and analyzed. Composite coatings with three microstructures were produced: mixture, double-layer, and with graded composition. The goal of these systems is to merge the high bioactivity of bioactive glass with the stability of hydroxyapatite. After a characterization of the samples, the graded structure has been selected for further optimizations. New graded coatings were produced using an industrial-like system. The coatings have been analyzed; in particular their microstructure and mechanical properties were investigated before and after in vitro tests. In this way, both the bioactivity and the stability of the coatings have been tested.
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