RICERCA ITALIANA     

Trattamenti di modifica superficiale del titanio e delle sue leghe per l'osteointegrazione

Università degli Studi di Parma

Abstract

Con il presente progetto si intende mettere a punto, caratterizzare e testare mediante prove chimico fisiche, prove biologiche in vitro e in vivo il potenziale di osteointegrazione di trattamenti chimici ed elettrochimici di modifica superficiale del titanio e della lega di titanio Ti6Al4V. I trattamenti sviluppati saranno espressamente pensati per due applicazioni: implantologia dentale e implantologia ortopedica. In particolare, gli attacchi su titanio puro saranno sviluppati espressamente per l'implantologia odontoiatrica (impianti dentali osteointegrati), quelli su lega di titanio Ti6Al4V saranno sviluppati per gli impianti ortopedici (protesi d'anca e di ginocchio osteointegrate). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo GABBI Università degli Studi di PARMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo del programma di ricerca è quello di sviluppare, caratterizzare e testare con prove biologiche in vitro e in vivo il potenziale di osteointegrazione di trattamenti chimici ed elettrochimici di modifica superficiale del titanio e della lega di titanio Ti6Al4V. I trattamenti saranno espressamente sviluppati per due distinte applicazioni: implantologia dentale e implantologia ortopedica. In particolare, per gli impianti dentali osteointegrati saranno considerati attacchi su titanio puro per la modifica della superficie su scala micrometrica e submicrometrica, mentre per gli impianti ortopedici (protesi d'anca e di ginocchio osteointegrate) saranno sviluppati attacchi su lega di titanio Ti6Al4V per modificare la superficie su scala millimetrica o submillimetrica. <<<

Risultati parziali attesi

Al termine della prima fase del progetto si prevede di aver identificato una superficie su titanio c.p. e una su lega di titanio Ti6Al4V ottimali, sulle quali effettuare i test su modello animale (UO UniParma) e, dalla UO PoliMi, la caratterizzazione meccanica per valutare la resistenza a fatica nonchè una ulteriore caratterizzazione biologica in vitro.Al termine della seconda fase del programma di ricerca si prevede di aver scelto e pienamente caratterizzato con prove microstrutturali, chimiche, biologiche in vitro e in vivo due trattamenti, uno su titanio e uno su lega di titanio, particolarmente indicati per l'applicazione in implantologia dentale e implantologia ortopedica rispettivamente. I risultati ottenuti consentiranno di definire la base di partenza per il successivo trasferimento industriale dei risultati ottenuti, che all'atto pratico potrebbe essere facilitato dall'esistenza di una società spin off del Politecnico di Milano, il cui ambito operativo riguarda i trattamenti di modifica superficiale del titanio. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il titanio, sia utilizzato allo stato puro che legato con altri elementi, è un metallo ampiamente diffuso nel campo delle applicazioni biomedicali, in ragione della sua ottima resistenza alla corrosione, ottima biocompatibilità, elevata resistenza meccanica e buona lavorabilità. Nel settore odontoiatrico il titanio puro è il materiale di gran lunga più utilizzato per la fabbricazione di impianti dentali osteointegrati. Per gli impianti ortopedici osteointegrati, e in particolare per le protesi d'anca e di ginocchio, in ragione dei maggiori livelli di carico richiesti, la lega di titanio Ti6Al4V è prevalentemente utilizzata.
Sia per l'applicazione nel settore dentale che in quello ortopedico, un fattore di primaria importanza per l'osteointegrazione, oltre a fattori biomeccanici legata alla geometria e alla forma dell'impianto, è giocato dalla natura dell'interfaccia che si crea tra l'impianto e i tessuti ossei. Un ruolo di primo piano è quindi svolto dalla topografia e dalla chimica di superficie dell'impianto (ref. 1).
Per quanto riguarda gli impianti dentali, le forme e le geometrie attualmente più diffuse hanno la connotazione di viti autofilettanti. Tali viti sono inserite direttamente all'interno dell'osso della mandibola, preventivamente preparato mediante opportune fresature. Oggi si ritiene che ottimi risultati si possano ottenere attraverso l'integrazione diretta degli impianti con l'osso, non mediata da depositi ceramici o metallici. Per conseguire una stabile interfaccia tra il metallo della protesi e i tessuti ossei ospiti, di fondamentale importanza risulta la morfologia superficiale a livello micrometrico e il grado di pulizia e decontaminazione della superficie metallica (ref. 2-4).
Per quanto riguarda il settore ortopedico, nella fabbricazione degli impianti osteointegrati, la lega di titanio Ti6Al4V e, in rapporto minore, la lega Ti6Al7Nb, sono oggi diffusamente utilizzate. Per questa tipologia di impianto, il titanio e le sue leghe, oltre alle già citate ottime proprietà, hanno il vantaggio di possedere un modulo elastico relativamente contenuto (100 GPa rispetto agli oltre 200 GPa dei materiali alternativi, gli acciai inossidabili e le leghe di cobalto). L'utilizzo di una lega con contenuto modulo elastico consente di ovviare ai problemi dello stress shielding (ref. 5, 6). Tuttavia, nelle protesi d'anca e di ginocchio osteointegrate, la superficie richiesta per garantire la stabilità di lungo periodo deve avere una rugosità accentuata (macrorugosità). Tale superficie è oggi conseguita mediante rivestimenti porosi (plasma spray di titanio, rivestimenti con microsfere sinterizzate, rivestimenti con fiber mesh metalliche), sabbiature grossolane o lavorazioni meccaniche particolari (ref. 7, 8). Queste tecniche presentano però degli svantaggi. Le tecniche di deposizione plasma spray e quelle di sinterizzazione di microsfere o fibre sono intrinsecamente soggette ai rischi di distacchi e delaminazione dei depositi, e alterano termicamente e meccanicamente la superficie della protesi, pregiudicandone potenzialmente la resistenza a fatica.
Il conseguimento di una superficie con analoghe caratteristiche morfologiche, in termini di macrorugosità, ovviando ai problemi dei coating, presenterebbe già di per sé un grande vantaggio. La possibilità di sovrapporre alla morfologia macrorugosa così ottenuta una morfologia microrugosa, dello stesso tipo di quella in corso di sperimentazione per le applicazioni in ambito odontoiatrico, potrebbe essere di grande vantaggio per il conseguimento e il mantenimento della stabilità dell'impianto (ref. 9-11).
Applicando attacchi chimici e/o elettrochimici particolarmente efficaci con una opportuna parziale schermatura delle superfici, operata mediante resine polimeriche applicate con tecniche serigrafiche, si ritiene di potere ottenere una morfologia superficiale macrorugosa, particolarmente adatta per le applicazioni ortopediche. L'attacco in questo caso riguarderebbe la sola zona non schermata, ed assumerebbe particolari geometrie raggiate in ragione del fenomeno dell'undercutting che si verifica durante il trattamento di dissoluzione chimica e/o elettrochimica (ref. 12). Tale fenomeno, che consiste nella progressiva asportazione per dissoluzione del metallo nelle zone sottostanti alla schermatura protettiva, nel nostro caso consentirebbe di ottenere una morfologia superficiale macrorugosa contraddistinta dalla presenza di lacune di dimensioni variabili e dal fondo raccordato con ampie raggiature (fig. 1).

La possibilità di modificare la superficie del titanio o della lega di titanio Ti6Al4V mediante trattamenti chimici ed elettrochimici, parte dal seguente contesto.
A temperature ordinarie, il titanio e le sue leghe sono dei materiali che mostrano un'eccellente resistenza alla corrosione in molti ambienti ed in particolare nell'ambiente "corpo umano". Tale resistenza alla corrosione è dovuta alla rapida formazione di un film aderente protettivo di ossido di titanio che ricopre il materiale metallico bloccandone la progressiva corrosione. In ambienti acquosi dove vi è la presenza di agenti complessanti e/o di specifiche sostanze chimiche, in ambienti non acquosi ed, infine, a temperature elevate, il quadro sopra descritto può modificarsi, perché il film protettivo può non formarsi o si possono avere film meno stabili. In questi particolari ambienti la resistenza alla corrosione del titanio e delle sue leghe viene meno, e la superficie del componete può subire un attacco più o meno omogeneo a seconda che il film possa essere totalmente o parzialmente rimosso. Ad esempio, in soluzioni fortemente alcaline, specie a temperature elevate, si può avere un attacco omogeneo della superficie del materiale; in soluzioni fortemente acide e/o contenenti complessanti, e in particolare a temperature elevate, si può avere un attacco selettivo; in soluzioni non acquose si può avere un attacco localizzato (ref. 13, 14).
Per il titanio e le sue leghe, quindi, operando in uno specifico ambiente aggressivo è possibile ottenere una superficie che, in funzione anche dello stato metallurgico del materiale trattato (presenza di diverse fasi e loro distribuzione, presenza di precipitati, dimensioni del grano, ecc.), può originare una microgeometria tipica (topografia e morfologia), ovvero una rugosità e microrugosità caratteristica (ref. 15). Sempre attraverso attacco chimico e/o elettrochimico, è possibile decontaminare efficacemente la superficie, ripulendo ed eliminando ogni residuo dovuto alle precedenti lavorazioni di formatura e di finitura del componente (oli, particelle abrasive, ecc.).
Lo studio delle caratteristiche superficiali, indotte da opportuni attacchi chimici su componenti in titanio a struttura metallurgica controllata, consentirebbe quindi la messa a punto di tecniche per l'ottenimento di manufatti esenti da contaminanti ed a macrorugosità e microrugosità predefinite. Si ritiene, e si intende dimostrare, che le superfici così ottenute risulteranno maggiormente idonee a sviluppare una stabile osteointegrazione, contribuendo a definire e sviluppare standard di riferimento per i settori dentale e ortopedico.
Nel progetto, oltre alla messa a punto dei trattamenti chimici con acidi inorganici ed organici, verranno presi in considerazione, per confronto, altri trattamenti commerciali e già disponibili sul mercato. I trattamenti di finitura superficiale a cui di farà riferimento sono i seguenti:
- trattamento di semplice finitura meccanica;
- pallinatura fine effettuata con sfere di vetro su titanio c.p.;
- sabbiatura grossolana effettuate su lega Ti6Al4V con corindone ad elevata granulometria;
- trattamento biomimetico denominato BioSpark, precedentemente sviluppato dall'unità operativa PoliMi (ref. 16), effettuato sia su titanio c.p. che su lega.

Per quanto specificatamente riguarda i test "in vitro" ed "in vivo", lo studio "in vitro" prevede l'utilizzazione di colture cellulari di osteoblasti (SAOS-2 e MG63), e fibroblasti connettivali murini (L929), sulle quali saranno eseguite valutazioni riguardo la morfologia ed i parametri di vitalità, proliferazione ed attività sintetica cellulare dopo diversi tempi di contatto con il materiale innovativo (ref. 17). Le ulteriori fasi della ricerca saranno eseguite "in vivo" (ref. 18-25) seguendo rigorosamente le attuali normative in tema di sperimentazione animale (previo invio dei protocolli di ricerca alle autorità competenti, in anestesia generale, sedazione dell'eventuale dolore post-operatorio, controllo continuo delle condizioni di salute degli animali, ed eutanasia farmacologica in anestesia generale). I biomateriali saranno testati nel tessuto scheletrico. In anestesia generale, campioni cilindrici di dimensioni adeguate saranno impiantati in femori, e a 6 e 16 settimane saranno espiantati per gli studi radiografici e istologici. Saranno quindi valutate la l'osteointegrazione, la compatibilità e le proprietà osteoinducenti di tutti i materiali impiantati. <<<