Cosa sono le leghe di titanio per uso biomedico e quali sono i loro impieghi?

Le leghe di titanio biomediche vengono utilizzate negli impianti e nei dispositivi medici poiché combinano biocompatibilità, resistenza alla corrosione, resistenza meccanica adeguata e densità relativamente bassa. Il titanio commercialmente puro e il Ti-6Al-4V sono materiali consolidati, mentre le leghe β a modulo di elasticità inferiore sono oggetto di studio per ridurre il disallineamento di rigidità rispetto all’osso. Di seguito vengono messi a confronto i loro impieghi e le scelte dei materiali.

Che cos’è una lega di titanio per uso biomedico?

I materiali biomedici interagiscono con i sistemi biologici per diagnosticare, curare, riparare o sostituire tessuti e organi, oppure per migliorarne la funzionalità. Tra questi figurano metalli, polimeri e ceramiche per uso medico. I metalli rivestono particolare importanza nei prodotti ortopedici e cardiovascolari. Il titanio presenta una risposta biologica favorevole, una buona compatibilità con i tessuti e l’assenza di proprietà magnetiche intrinseche, caratteristiche che ne favoriscono un ampio impiego in campo medico.

Le leghe di titanio per uso biomedico combinano biocompatibilità, prestazioni meccaniche, resistenza alla corrosione e bassa densità. L’elevata resistenza e un modulo elastico relativamente basso possono ridurre lo “stress shielding” e favorire la guarigione ossea. Il titanio è bioinerte e resistente alla corrosione in ambienti fisiologici. La sua densità è pari a circa il 56% di quella dell’acciaio inossidabile, riducendo così il peso dell’impianto. Lo sviluppo è passato dal titanio commercialmente puro e dal Ti-6Al-4V a leghe modificate e leghe di titanio β a basso modulo.

Classificazione e proprietà meccaniche

Le leghe di titanio per uso biomedico vengono classificate in base alla microstruttura come leghe α, α+β o β. Il titanio commercialmente puro e il Ti-6Al-4V continuano ad essere ampiamente utilizzati in ambito clinico. Le leghe β a modulo di elasticità ridotto, caratterizzate da una maggiore biocompatibilità, rappresentano un importante ambito di ricerca.

Le leghe di seconda e terza generazione presentano generalmente un modulo elastico inferiore e contengono quantità crescenti di niobio. Il Ti-35Nb-7Zr-5Ta e i sistemi correlati Ti-Nb-Ta-Zr figurano tra i materiali con il modulo elastico più basso riportati nella tabella. Il modulo elastico indicato è di 55 GPa per il Ti-35Nb-7Zr-5Ta, rispetto ai circa 30 GPa dell’osso. Le leghe β superelastiche Ti-Nb sono state oggetto di studi particolarmente approfonditi.

Tra le nuove leghe β figurano i sistemi Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr e Ti-Ta. Elementi potenzialmente nocivi come V, Al, Ni e Cr vengono sempre più sostituiti da Nb, Zr, Ta, Sn, Pt e Mo, che sono biocompatibili. Le leghe Ti-Nb presentano un basso modulo elastico, non contengono alluminio né vanadio e sono oggetto di ampi studi come metalli per uso medico.

Proprietà biomediche

Elevata resistenza specifica

Le leghe di titanio hanno una densità pari a circa 4,51 g/cm³, pari a circa 60% rispetto all’acciaio. Il titanio puro si avvicina alla resistenza dell’acciaio comune, mentre le leghe di titanio ad alta resistenza superano molti acciai strutturali. Il loro elevato rapporto resistenza/densità consente di realizzare componenti resistenti, rigidi e leggeri. Le leghe α convenzionali utilizzate in campo medico possono causare lo “stress shielding” a causa del loro modulo elastico più elevato. La lega, la deformazione plastica e il trattamento di solubilizzazione possono modificare la struttura cristallina e ridurre il modulo di elasticità dell’impianto.

Resistenza alla corrosione

Le leghe di titanio offrono prestazioni superiori all'acciaio inossidabile in presenza di aria umida e acqua di mare e resistono alla corrosione puntiforme, all'attacco acido e alla corrosione sotto sforzo. Resistono inoltre agli alcali, ai cloruri, ai composti organici clorurati, all'acido nitrico e all'acido solforico, sebbene le loro prestazioni risultino inferiori in alcuni ambienti riducenti o contenenti cromati.

1. Il Ti-39Nb mostra un comportamento di degrado da corrosione in soluzione fisiologica paragonabile a quello del titanio puro e offre prestazioni nettamente migliori in ambienti contenenti fluoruro.
2. Il Ti-10Nb-10Zr mostra buone prestazioni in NaCl a 3,51 TP33T e nella saliva artificiale, con un tasso di degradazione particolarmente basso proprio nella saliva artificiale.
3. I leghe Ti-26Nb-4Zr-3Mn e Ti-26Nb-4Zr-5Mn presentano potenziali di corrosione elevati e basse densità di corrente nella soluzione di Hank, il che indica una buona resistenza alla corrosione.