Biomateriale

1. ASPECTE GENERALE DESPRE BIOMATERIALE. CARACTERISTICILE MATERIALELOR CERAMICE SI COMPOZITE

Biomaterialele sunt produse de natură anorganică sau organică care îşi găsesc utilizări ca proteze sau implanturi în ţesuturi biologice – la oameni sau animale. Pentru obţinerea acestor materiale folosite în scopuri biologice se folosesc metale, ceramice, sticla, polimeri organici, cimenturi. Aceste materiale se pot folosi ca atare şi sub formă de produse compozite ca de exemplu prin armare cu fibre, whiskers etc.

Biomaterialele de tipul ceramicilor, sticlelor, inclusiv sub formă compozită, reprezintă obiectivul acestui curs.

Biomateriale ceramice trebuie să fie biocompatibile; pe de o parte aceste materiale nu trebuie să provoace tulburări organismului iar pe de altă parte să nu sufere degradări datorită mediului fiziologic.

Proprietăţile generale ale materialelor bioceramice corespund cu cele ale produselor ceramice obişnuite, deja consacrate.

1.1. Materiale ceramice

1.1.1. Compoziţii şi structuri tipice ale ceramicelor cristaline

Materialele ceramice sunt substanţe anorganice care pot fi simple elemente nemetalice (B,C, S) sau compuşi definiţi de tipul MxNy formaţi dintr-un metal (M) şi un nemetal (N) din jumătatea din dreapta a tabloului periodic al elementelor (O,F,Cl,S,C,N).

Din punct de vedere structural, ceramicele pot fi atât cristaline – ca metalele – cât şi amorfe rigide, respectiv în stare sticloasă sau vitroasă.

Ceramicile cristaline sunt compuşi binari cu formulele uzuale AB, AB2, A2B3 (cu A metal şi B nemetal) sau ternari cu formulele uzuale AB2C4 şi AxByCz (cu A, B metale şi C nemetal).

Compuşii AB au structuri cristaline preponderent cubice. Cea mai întâlnită este structura de tip NaCl (Fig. 1.1.) cu legături ionice, stabilită pentru numeroşi oxizi (MgO, NiO, FeO, CaO, SrO, BaO, CdO, MnO), unele sulfuri (CaS, BaS, Mns), halogenuri alcaline (NaCl, LiF, SrBr ş.a.m.d., şi carburi (TiC, UC).

Fig. 1.1. Tipuri de reţele tipice pentru compuşii ceramici cristalini

Compuşii AB2 au structuri cubice de tipul CaF2 (cu coordinaţia K=8), în care ionul metalic A2+ cu diametrul mai mare are reţeaua cfc şi este împerecheat cu un ion nemetalic negativ B-1 cu diametrul mai mic şi care poate pătrunde în unele dintre golurile tetraedrice ale reţelei cubice. Acest tip de structură se întâlneşte şi la oxizii ZrO2 şi UO2.

1.1.2. Silicea şi silicaţii

Silicea (bioxidul de siliciu SiO2) şi sărurile acidului silicic (silicaţii) reprezintă cazuri aparte în categoria materialelor ceramice, deoarece - pe de o parte – reprezintă resursa cea mai mare de ceramice naturale, iar pe de altă parte au structuri extrem de diversificate, care merg de la total cristaline la total amorfe, ceea ce le conferă proprietăţi şi aplicaţii – de asemenea – foarte diversificate.

Bioxidul de siliciu natural este principala componentă a nisipurilor cuarţoase (cuarţite) şi există chiar în stare pură sub formă de cristale de cuarţ, care este o modificaţie polimorfică, stabilă la temperatura ambiantă a silicei.

Bioxidul de siliciu solid are trei modificaţii polimorfice:

1) cuarţul;

2) tridimita;

3) cristobalita;

fiecare dintre ele cu câte două variante cristalografice: (de temperatură joasă) şi (de temperatură înaltă); de asemenea, bioxidul de siliciu poate fi topit şi adus în stare lichidă.

Din cauza numărului mare de stări structurale, transformările de fază ale bioxidului de siliciu sunt complexe şi pot fi rezumate în chema de mai jos:

Cuarţ Tridimită Cristobalită Lichid

cataliză cataliză

(hexagonal) (hexagonal) (cubic)

5750C 1400C 2400C 16500C

Cuarţ Tridimită Cristobalită Sticlă

(romboedric) (ortocubic) (pseudocubic) (amorfă)

Foarte important este faptul că bioxidul de siliciu lichid are o foarte mare stabilitate la răcirea chiar cu viteze relativ mici şi suferă o tranziţie vitroasă, în urma căreia se transformă în sticlă (lichid subrăcit extem de vâscos, cu comportament de solid rigid, ca în cazul sticlelor metalice).

Din punctul de vedere al structurii reticulare, în toate modificaţiile polimorfice cristaline unitatea reticulară (baza materială din nodurile reţelei cristaline) nu este un atom (ion) ca la metale, ci este complexul ionic (anionul) SiO4-4, de forma unui tetraedru, care are în centrul de simetrie cationul Si4+, iar în cele patru vârfuri câte un anion O2- (Fig. 1.2.a).

Fig. 1.2. Tetraedrul unitar SiO4(a), lanţ de tetraedri (b), aranjament ordonat al tetraedrilor în cuarţul (c).