Cristalli singoli delle leghe flessibili e tenaci a base di CoCr. Credito:Università di Tohoku
Un gruppo di ricerca ha rivelato un biomateriale a base di cromo-cobalto che imita la flessibilità delle ossa umane e possiede un'eccellente resistenza all'usura. Il nuovo biomateriale potrebbe essere utilizzato per impianti come protesi dell'articolazione dell'anca o del ginocchio e placche ossee, alleviando i problemi associati ai materiali implantari convenzionali.
I dettagli della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials il 9 maggio 2022.
Con l'aumento della popolazione anziana in tutto il mondo, è aumentata la necessità di migliori biomateriali in grado di sostituire o supportare le ossa danneggiate. A tale scopo, i metalli sono ampiamente utilizzati per la loro resistenza e duttilità. Tuttavia, come conseguenza della loro forza, la loro flessibilità diminuisce.
Ad oggi, la maggior parte dei biomateriali metallici sono più rigidi delle ossa umane e il loro utilizzo come impianti porta all'atrofia ossea, una condizione in cui la densità ossea è ridotta a causa di una rottura della sostanza e della struttura ossea. Nel frattempo, i biomateriali con elevata flessibilità perdono la loro resistenza all'usura.
Sebbene i materiali superelastici realizzati con leghe di nichel-titanio (Ni-Ti), comunemente usati negli stent e nei fili ortodontici, mantengano un'elevata flessibilità e la capacità di recuperare dallo sforzo, il Ni è un elemento allergico. Le leghe prive di Ni non hanno replicato la superelasticità delle leghe Ni-Ti, rendendole impraticabili.
Il gruppo di ricerca, che comprendeva ricercatori della Graduate School of Engineering and Institute for Materials Research (IMR) dell'Università di Tohoku, del J-PARC Center, dell'Agenzia giapponese per l'energia atomica e dell'Accademia delle scienze ceca, si è concentrato sulla riduzione del divario del modulo di Young tra protesi metalliche e ossa umane. Quando un materiale è flessibile, ha un modulo di Young basso. Quando è rigido ha un modulo di Young elevato.
Il nuovo biomateriale a base di Co-Cr non solo ha un modulo di Young basso (10-30 GPa) simile alle ossa umane, ma ha anche un'elevata resistenza all'usura, interrompendo la relazione di compromesso nei biomateriali metallici convenzionali. Queste leghe mostrano anche un'enorme deformazione superelastica recuperabile fino al 17,0%, il doppio di quella del Ti-Ni commerciale. Credito:Università di Tohoku
"Dato che il modulo di Young dipende dall'orientamento del cristallo, abbiamo coltivato cristalli singoli con uno specifico orientamento del cristallo", ha affermato Xiao Xu, autore corrispondente e assistente professore presso la Graduate School of Engineering della Tohoku University.
Utilizzando una tecnica di trattamento termico ciclico, Xu ei suoi colleghi hanno preparato con successo cristalli singoli di grandi dimensioni di diversi centimetri. La lega Co-Cr-Al-Si (CCAS) sviluppata ha dimostrato un tasso di recupero della deformazione del 17%, il doppio di quello delle leghe Ti-Ni commerciali a memoria di forma. Inoltre, il modulo di Young del CCAS era estremamente basso, simile alla flessibilità delle ossa umane.
"Sapevamo che il cromo possiede una forte resistenza alla corrosione, ma la superelasticità, la flessibilità e la significativa resistenza all'usura del materiale a base di cromo-cobalto ci hanno sorpreso", ha aggiunto Xu.
Andando avanti, il gruppo di ricerca spera di esplorare il motivo per cui il loro CCAS ha ottenuto le proprietà superiori che ha ottenuto. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di materiali di nuova generazione con proprietà ancora migliori. + Esplora ulteriormente
