Dicembre 21 2020

Placche ortopediche realizzate in carbonio per il settore medicale

Da svariati decenni, nell’immaginario collettivo, il carbonio è sinonimo di leggerezza e resistenza, per questo viene oggi usato anche per le placche ortopediche, ma andiamo per gradi

Per queste caratteristiche è stato utilizzato principalmente in campo industriale, per applicazioni in cui erano richieste resistenze meccaniche importanti, ma al contempo era necessario ridurre al minimo il peso delle componenti.

Uno dei settori che maggiormente ha sfruttato questo materiale, è quello automobilistico sportivo.

Telai, sospensioni e componentistica varia era, ed è, realizzata in carbonio.

Esistono moltissimi altri settori in cui il carbonio è una valida soluzione per la realizzazione di componentistica, ma non ci soffermeremo su questi settori in questo momento.

Vorrei infatti passare velocemente a parlare dell’utilizzo del carbonio in campo medico, il campo dove noi operiamo, dove possiamo ritrovare questo materiale utilizzato per le placche ortopediche.

Placche ortopediche in PEEK 

Le applicazioni in campo medicale del carbonio sono relativamente recenti.

L’utilizzo di questo materiale, soprattutto per quanto riguarda i dispositivi medici impiantabili, si può dividere in due macro-famiglie:

  1. Placche ortopediche e componenti realizzati con carbonio a fibre distese
  2. Placche ortopediche e componenti realizzati con piccole fibre di carbonio posizionate in modo isotropico

 

Quello che andremo ad approfondire in questo breve documento è il secondo caso, quello delle placche ortopediche e componenti medicali realizzati con piccole fibre di carbonio

Come è logico supporre, le fibre di carbonio necessitano di un materiale “base” in cui essere collocate, per poter realizzare dei componenti meccanici dalle forme più svariate e complesse.

Questo materiale, è il PEEK utilizzato per le placche ortopediche

Molto conosciuto e utilizzato in campo medico nell’utilizzo di placche ortopediche, è un polimero che si è fatto strada nel mondo medicale grazie a delle caratteristiche importanti per un settore così delicato:

  • eccellente resistenza ai consueti metodi di sterilizzazione
  • resistenza chimica molto buona
  • biocompatibilità
  • stabilità dimensionale

Nonostante le sue buone caratteristiche per l’utilizzo in campo medicale, il PEEK non poteva essere utilizzato da solo per applicazioni più gravose.

Con applicazioni gravose, si intendono applicazioni in cui è richiesta anche una resistenza meccanica e un modulo elastico importante.

Un esempio su tutti: le placche ortopediche utilizzate nel campo del trauma

Queste placche ortopediche sono solitamente di spessore molto basso e possono essere di lunghezza molto superiore al loro spessore. Sulle placche ortopediche sono anche presenti molte forature, per poterle fissare saldamente all’osso.

Queste caratteristiche sono di per sé in contrasto con le possibilità date da un materiale plastico come il PEEK.

Proprio per quanto sopra riportato, si è pensato di migliorare le caratteristiche del PEEK, “arricchendolo” con delle fibre di carbonio per realizzare placche ortopediche innovative.

La percentuale di fibre di carbonio che vengono utilizzate in questa miscela, è di circa il 30%. Questo permette al PEEK di aumentare sensibilmente le sue caratteristiche meccaniche, come potete vedere dalla tabella sottostante.

La resistenza alla trazione aumenta infatti del 50%, l’elasticità del 450%.

Chiaramente, anche se i miglioramenti sono significativi, non possono di certo portare il CFR-PEEK a competere con materiali metallici quali: titanio, cromo cobalto e acciaio inox. Nella tabella sono indicate anche, a titolo di paragone, le caratteristiche del titanio.

Quindi, cosa è possibile realizzare con il CFR-PEEK? Un esempio: le placche ortopediche per polso e omero

Le possibilità non mancano, è necessario però valutare applicazioni che non richiedano resistenze meccaniche eccessive, che non sarebbero compatibili con le potenzialità di questo materiale.

Ad oggi, l’utilizzo maggiore è legato al settore del trauma e nello specifico degli arti superiori. Ad esempio, placche ortopediche per polso e omero.

Qui sotto un esempio di placche ortopediche per polso

 

In queste altre immagini altri esempi di placche ortopediche per omero.

 

 

Vantaggi delle placche ortopediche in CFR-PEEK

  • Il primo vantaggio di questo materiale nelle placche ortopediche è visibile dalle radiografie sopra, la radio trasparenza.

Questa peculiarità può essere molto utile per il chirurgo, successivamente all’operazione, per verificare la guarigione dell’osso. Non è infatti possibile con materiali metallici avere questa visibilità “attraverso” la placca.

  • Un secondo vantaggio per cui queste placche ortopediche possono essere considerate una valida alternativa a quelle metalliche, è che non sono soggette al fenomeno della cosiddetta “fusione-fredda”.

Questo problema, che è ampiamente conosciuto nel campo della chirurgia ortopedica, è molto spesso un problema per i chirurghi.

Infatti, a causa di questo fenomeno, viti e placche ortopediche metalliche tendono a unirsi come se fossero fuse insieme, risultando molto difficili da asportare dal paziente dopo la guarigione.

  • Terzo vantaggio di questa tipologia di placche ortopediche è l’angolazione delle viti di fissaggio in fase operatoria.

Come è possibile notare dall’immagine, ai chirurghi è data un’ampia possibilità di decisione, in fase operatoria, tra varie angolazioni di posizionamento delle viti.

Questo vantaggio risulta molto importante per un corretto posizionamento delle placche ortopediche ed inserimento in sede delle viti che le fisseranno. Solitamente, per fissaggi metallo-metallo, la possibilità di decidere in fase operatoria l’angolazione delle viti è molto penalizzata.

Con le placche ortopediche in CFR-PEEK, al contrario, è molto semplice per i chirurghi trovare il giusto angolo senza perdere i vantaggi della stabilità angolare.

Le viti infatti, filettano in fase di inserimento, la loro sede sulla placca.

Un’altra applicazione in cui questo materiale sta prendendo piede, è legato al mondo della spina.

I prodotti che vengono realizzati sono, come indicato nell’immagine sopra, le barre.

 

Il motivo principale per cui, negli ultimi anni, si è pensato al CFR-PEEK per queste componenti, è legato alla micro-mobilità.

 

Placche ortopediche: CFR-PEEK e micro-mobilità

Da alcuni studi recenti, è infatti emerso che, in particolari ambiti, è preferibile permettere dei micromovimenti all’osso, piuttosto che immobilizzarlo come succedeva in passato.

Questa micro-mobilità migliora la guarigione dell’osso grazie alla maggiore vascolarizzazione dello stesso.

Per poter permettere questo, è stato scelto il materiale che per caratteristiche più si avvicina a quelle delle nostre ossa, come potete vedere dalla tabella sotto.

Il materiale che si prestava meglio a questo, è risultato essere proprio il CFR-PEEK.

Come realizzare le placche ortopediche in CFR-PEEK?

Fin qui abbiamo parlato dei vantaggi e delle possibili applicazioni di questo materiale, ma non abbiamo ancora accennato a come produrre componenti come quelli presi ad esempio in precedenza.

Per componenti con forma irregolare, come le placche ortopediche, il processo tecnologico migliore è quello dello stampaggio ad iniezione.

Di per sé non è molto dissimile dallo stampaggio di qualsiasi componente plastico, di tipo industriale.

Trattandosi comunque di un componente ad uso medicale impiantabile, non tutti i produttori di componenti plastici sono in grado di gestire questo tipo di produzione.

Il processo di stampaggio è solitamente totalmente automatizzato e realizzato mediante avanzati impianto di stampaggio.

La differenza principale con le produzioni di tipo industriale è il posizionamento dei macchinari in ambiente a contaminazione controllata. In ambienti di questo tipo è possibile fabbricare qualsiasi tipologia di dispositivo medico plastico.

Come ogni processo di stampaggio, è necessario realizzare uno stampo. L’investimento iniziale è comunque ampliamente ripagato, se i volumi sono adeguati, dal costo finale del pezzo.

Per un approfondimento sul materiale da noi utilizzato, vi rimando a questo link del produttore, per le specifiche tecniche:

 

 

https://invibio.com/materials/peek-optima-reinforced