Caratterizzazione strutturale e meccanica di biomateriali altamente porosi in titanio commercialmente puro per l’ortopedia artroprotesica: il Trabecular TitaniumTM

Abstract

Negli ultimo anni, l’uso della tecnologia EBM (Electron Beam Melting, Fusione per Fascio di Elettroni) per la realizzazione
di manufatti e componenti di geometria complessa è aumentata fortemente in diversi settori di produzione.
Per il settore biomedicale, in particolare, l’uso dell’EBM consente di ottenere solidi cellulari in bio-materiali
metallici che possono contribuire fortemente all’osteointegrazione di impianti ortopedici, mantenendo tuttavia buone
proprietà meccaniche. In questo lavoro sono stati caratterizzati due differenti solidi cellulari ottenuti tramite
EBM di titanio commercialmente puro grado 2. Le strutture indagate non possono essere ottenute in un tempo ragionevole
usando tecniche produttive convenzionali a causa della loro complessa forma “spugnosa” tridimensionale.
Per questo lavoro sono stati prodotti due differenti tipi di strutture: (A) con una dimensione di singola cella
inferiore e (B) con una dimensione di singola cella superiore. Questi solidi sono stati completamente caratterizzati
e confrontati con i risultati ottenuti in letteratura con strutture simili in titanio commercialmente puro e Ti-
6Al-4V. La densità relativa è stata valutata con differenti metodi, il diametro delle singole porosità è stato calcolato
sulla base di immagini ottenute al Microscopio a Scansione Elettronica grazie all’utilizzo di software di analisi
di immagine, la composizione valutata utilizzando la spettroscopia a raggi X presente all’interno del microscopio
stesso (EDXS, Energy Dispersive X-ray Diffraction), la microstruttura e la dimensione dei grani sono stati
indagati utilizzando un attacco chimico ottenuto con soluzione di Kroll (2% HF, 6% HNO3 in acqua) su campioni
lucidati a specchio ed infine le proprietà meccaniche sono state misurate utilizzando uno strumento UMTS. La porosità
media è risultata essere simile a quella dell’osso spongioso (attorno al 77% per il campione A e attorno all’89%
per il campione B). Il diametro medio delle porosità è risultato adeguato a favorire l’osteointegrazione del componente,
in particolare per il campione A. La microdurezza Vickers è risultata omogenea all’interno della struttura
e l’attacco metallografico ha messo in evidenza una complessa microstruttura caratterizzata da grani di forma
irregolare con un elevato rapporto area superficiale su volume e diffusa compenetrazione tra i differenti grani.
I test meccanici hanno mostrato che il campione A, come atteso, è più resistente del campione B, mentre il campione
B ha mostrato un minor modulo elastico, persino inferiore ai dati di letteratura per l’osso spongioso. I risultati
di questo studio suggeriscono che le due strutture cellulari in titanio grado 2 possono essere usate in applicazioni
biomedicali per promuovere l’osteointegrazione, in particolare per impianti protesici.