Coating nanostrutturati biocompatibili
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Siamo entusiasti di collaborare con voi per esplorare le opportunità offerte dai nostri rivestimenti nanostrutturati multicomponente biocompatibili per la medicina.
Saremo lieti di rispondere a eventuali domande, fornire ulteriori informazioni e pianificare incontri per discutere le possibilità di collaborazione.
Non esitate a contattarci per avviare una partnership di successo.
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Vorremmo invitarvi a sfruttare i vantaggi della nostra tecnologia di rivestimenti nanostrutturati multicomponente.
I nostri rivestimenti multifunzionali, come Ti-Zr-C-O-(N), offrono eccellenti proprietà chimiche, meccaniche e tribologiche, insieme a bioattività e biocompatibilità.
Collaborando con noi, potrete beneficiare di rivestimenti avanzati per i vostri dispositivi medici e attrezzature.
Avete delle domande?
Vi invitiamo a esplorare l’applicazione dei nostri rivestimenti nanostrutturati per impianti medici a carico.
La combinazione delle nostre proprietà chimiche e meccaniche avanzate con bioattività, biocompatibilità e non tossicità li rende promettenti come rivestimenti tribologici per impianti medici.
Possiamo fornire supporto tecnico e collaborare per lo sviluppo di prototipi personalizzati per le vostre applicazioni specifiche.
Università di Parma - Coating Funzionali, CNR Milano, Collaboratore Gruppo Clusternanotech.
Coating nanostrutturati multicomponente biocompatibili per la medicina
Coating nanostrutturati multicomponente: Nuovi approcci per applicazioni mediche a carico
Coating nanostrutturati biocompatibili nell’ambito delle applicazioni mediche a carico, sono stati sviluppati nuovi approcci per la creazione di coating nanostrutturati multicomponente basati su titanio (Ti), al fine di sfruttare i vantaggi della sputtering a magnetron (MS), della sputtering a magnetron assistita dall’impianto ionico (IIAMS) e della sintesi ad alta temperatura autopropagante (SHS).
Obiettivo: Bioattività, biocompatibilità e non tossicità nei rivestimenti
Questa combinazione di tecniche consente l’incorporazione di elementi di lega nei film multicomponente, introducendo vari additivi inorganici come CaO, SiO2, ZrO2, TiO2, Ca3(PO4)2, HAP(Ca10(PO4)6(OH)2).
L’obiettivo è ottenere rivestimenti multifunzionali che uniscono eccellenti proprietà chimiche, meccaniche e tribologiche con bioattività, biocompatibilità e non tossicità.
Coating nanostrutturati biocompatibili: Obiettivi compositi e rivestimenti multifunzionali
Utilizzando obiettivi compositi come (TiC0.5 + CaO), (TiC0.5 + ZrO2), (TiC0.5 +CaO+TiO2), TiC0.5+HAP (Ca10(PO4)6(OH)2), (Ti5Si3 + ZrO2), (TiC0.5 + Nb2C), è stato possibile ottenere rivestimenti multicomponente a base di titanio. Questi obiettivi compositi sono stati utilizzati con successo nel processo di sputtering e IIAMS per depositare i rivestimenti desiderati. La combinazione di elementi di lega e la tecnologia FGM (Functionally Graded Materials) consente di ottenere rivestimenti con proprietà specifiche per le applicazioni mediche.
Obiettivi compositi basati su TiC0.5 e Ti5Si3 con vari additivi inorganici: CaO, SiO2, ZrO2, TiO2, Ca3(PO4)2, HAP(Ca10(PO4)6(OH)2)
Sputtering e IIAMS di obiettivi compositi
Rivestimenti multifunzionali che combinano eccellenti proprietà chimiche, meccaniche e tribologiche con bioattività, biocompatibilità e non tossicità.
Coating nanostrutturati biocompatibili: Analisi dei rivestimenti Ti-Zr-C-O-(N)
Attraverso l’analisi morfologica, è stato osservato che i rivestimenti presentano una morfologia a struttura nano con una dimensione dei cristalliti di circa 20 nm e una rugosità superficiale compresa tra 5,9 nm e 7,8 nm. La composizione di fase dei rivestimenti è stata studiata e i risultati hanno evidenziato la presenza di diversi elementi come Ti, Zr, C, O e N. Questa composizione multicomponente conferisce ai rivestimenti le caratteristiche desiderate per le applicazioni mediche.
Processo SHS e obiettivi compositi e FGM per PVD
Sintesi ad alta temperatura autopropagante (SHS)
Vantaggi degli Obiettivi Compositi e FGM:
- Il flusso di atomi e ioni metallici e non metallici avviene dall’obiettivo al substrato;
- Gli obiettivi FGM presentano la resistenza termica e la resistenza necessaria alla termociclaggio durante la sputtering a magnetron ad alta potenza richiesta per gli obiettivi PVD.
Composite Targets: (TiC0.5 + CaO), (TiC0.5 + ZrO2), (TiC0.5 +CaO+TiO2), TiC0.5+HAP (Ca10(PO4)6(OH)2), (Ti5Si3 + ZrO2), (TiC0.5 + Nb2C).
Morfologia
Composizione di fase e dimensione del cristallite
Topografia superficiale
Coating nanostrutturati biocompatibili: Biocompatibilità dei rivestimenti
Sono stati condotti test in vitro per valutare la citocompatibilità dei rivestimenti multicomponente. Durante la fase iniziale delle interazioni tra le cellule e il materiale, sono stati osservati i processi di attacco, adesione, diffusione e colorazione del citoscheletro di actina. Sono stati anche condotti test di citotossicità e proliferazione cellulare, che hanno dimostrato una buona compatibilità dei rivestimenti con le cellule. Inoltre, sono stati effettuati studi sulla differenziazione degli osteoblasti, che hanno confermato la capacità dei rivestimenti di favorire la crescita e la differenziazione delle cellule ossee.
Citocompatibilità in vitro
Test di funzionalità cellulare
Prima fase delle interazioni cellula/materiale:
Test di citotossicità
Differenziazione degli osteoblasti
Attacco
Adesione
Diffusione
Proliferazione
Colorazione del citoscheletro di actina
Valutazione in vivo:
Sono stati condotti studi in vivo utilizzando modelli di difetti ossei, impianti cranici e modelli sottocutanei. I risultati hanno evidenziato una buona risposta infiammatoria, la crescita delle cellule osteoblastiche e l’ossointegrazione dei rivestimenti. Inoltre, sono state effettuate protesi su pazienti utilizzando impianti rivestiti con film nanostrutturati di carbonio (CNT), ottenendo risultati positivi in termini di stabilità dell’impianto, osteointegrazione e riduzione dei tempi di degenza e riabilitazione.
Biocompatibilità in vivo
Popolazione di cellule
Risposta infiammatoria
Crescita delle cellule osteoblastiche
Test di implantologia su pazienti per diverse applicazioni chirurgiche.
COLTURE CELLULARI
Epiteliocita IAR-2
Fibroblasti Rat-1
Osteoblasti MC3T3-E1
Fibroblasti Rat-1 e cellule epiteliali IAR-2 (cellule formanti il tessuto connettivo),
Osteoblasti MC3T3-E1 (cellule formanti l’osso),
Cellule dei macrofagi (grandi globuli bianchi che inglobano corpi estranei),
Leucociti, linfociti, cellule multinucleate giganti (cellule responsabili della reazione infiammatoria).
PROLIFERAZIONE CELLULARE
Ci sono differenze statisticamente significative tra il gruppo di controllo e i film multicomponente a base di Ti dopo 5 e 7 giorni di coltura. La proliferazione degli osteoblasti sui rivestimenti Ti-Ca-P-C-O-(N) è superiore rispetto agli altri rivestimenti.
Studi istochimici sulla differenziazione degli osteoblasti in presenza di acido ascorbico e beta-glicerofosfato.
Immagine (a) Attività della fosfatasi alcalina (ALP) degli osteoblasti MC3T3-E1. 1 – Controllo; 2 – Ti-Ca-C-O; 3 – Ti-Ca-C-O-N; 4 – Ti-Ca-P-C-O; 5 – Ti-Ca-P-C-O-N. I dati sono medi più o meno SEM di tre determinanti.
Immagine (b) Colorazione ALP degli osteoblasti MC3T3-E1 che crescono sul film Ti-Ca-P-C-O-N.
Immagine (c) Colorazione di von Kossa delle cellule del cranio fetale di ratto che crescono sul film Ti-Ca-C-O-N.
STUDIO DELL'IMPIANTO UTILIZZANDO UN MODELLO DI DIFETTO OSSEO
Sostituzione del difetto osseo del cranio con un impianto in titanio
Micrografia a raggi X dell’impianto in titanio
dopo 4 settimane
Rivestimento Ti-Ca-P-C-O-N
Piastra di titanio senza rivestimento
Le cellule osteoblastiche stavano crescendo come un sottile tappeto sulla superficie del rivestimento e stavano costruendo insieme una rete morfologica di cellule ossee
STUDIO DELL'IMPIANTO UTILIZZANDO UN MODELLO DI DIFETTO ALL'ANCA ARTIFICIALE
Micrografie SEM delle interfacce tra l’osso e la barra di titanio rivestita con Ti-Ca-P-C-O-N impiantata nel difetto all’anca artificiale del ratto per 30 giorni.
STUDIO DELL'IMPIANTO UTILIZZANDO UN MODELLO SOTTOCUTANEO
Immagine (a) Macrociti 20 nm e
Immagine (b) cellula gigante a corpo estraneo sulla superficie di teflon rivestito 10 nm.
Dopo 16 settimane di impianto:
- Stretto contatto tra la capsula e la superficie del rivestimento
- Reazione infiammatoria come nel gruppo di controllo
Popolazione di cellule:
- Macrofagi – 400-1600 cellule/mm2
- Cellule giganti a corpo estraneo – bassa densità (1-3% delle cellule)
- Poche neutrofili
- Nessun linfocita
Coating nanostrutturati biocompatibili: CARATTERISTICHE DEL RIVESTIMENTO
I rivestimenti multicomponente presentano un modulo di Young ridotto, una resistenza all’adesione elevata, una percentuale di ripresa elastica elevata, un basso coefficiente di attrito, una bassa velocità di usura, una bassa rugosità, un’elevata durezza e una resistenza alla deformazione plastica. Queste caratteristiche indicano che i rivestimenti multicomponente sono adatti per applicazioni tribologiche in campo medico.
- Modulo di Young ridotto – 170-270 GPa
{TiN-440 GPa, TiC-480 GPa, SiC-450 GPa, Al2O3-390 GPa, acciaio inossidabile – 200 GPa, Ti-120 GPa}
- Elevata resistenza all’adesione fino a 50 N
- Elevata percentuale di ripresa elastica fino al 75% (materiali elastici duri!)
- Basso coefficiente di attrito fino a 0,12-0,22
- Bassa velocità di usura – 10-6 – 10-7 mm3/Nm
- Bassa ruvidità Rrms=0,13-1,5 nm
- Elevata durezza – 25-40 GPa
- Elevata resistenza alla deformazione plastica fino a 0,9 GPa, che è descritta da un rapporto H3/E2 – un misuratore di “resistenza all’usura” {Le ceramiche di massa (TiN, TiO2, SiO2 ZrO2 e SiC) sono generalmente caratterizzate da parametri H3/E2 inferiori a 0,2 GPa}
- Elevato rapporto H/E (lunga deformazione elastica fino alla rottura) come indicatore di durata del rivestimento e resistenza all’usura
- Carica superficiale negativa a pH=5÷8
- Bioattività e biocompatibilità
- Bassi livelli di citotossicità
- Reazioni infiammatorie come nel gruppo di controllo
PROTESI SU PAZIENTI CON IMPIANTI RIVESTITI DA FILM NANOSTRUTTURATI DI CNT
Chirurgia: Anca, coxartrosi e femore, N° pazienti: 20 (età 31-78), risultati: Elevato punteggio di Harris Hip (>90), ottima fissazione, nessun disallineamento.
Chirurgia: Dentale, N° pazienti: 10 (20 impianti), risultati: Nessun rigetto, nessuna risposta allergica né infiammatoria. Ottimi risultati funzionali ed estetici.
Chirurgia: Colonna vertebrale (Spondilolistesi e Stenosi spinale), N° pazienti: Rilascio più rapido e periodo di fisioterapia più breve.
Chirurgia: Chirurgia maxillo-facciale e cranica per il cancro, N° pazienti: 7 (età 25-70), risultati: Suture rimosse in 10 giorni, riduzione delle complicazioni, ottima integrazione e stabilità.
Fissaggio degli impianti con viti – stessa tecnologia CNT
PROTESI SU PAZIENTI CON IMPIANTI RIVESTITI DA FILM NANOSTRUTTURATI DI CNT
- Impianti affidabili, stabili e a lunga durata
- Elevata resistenza di fissaggio
- Nessun caso di rigetto
- Reazioni infiammatorie come nel gruppo di controllo o inferiori
- Ottima osteointegrazione
- Riduzione della degenza ospedaliera e del periodo di convalescenza
- Tempo di riabilitazione più breve
- Risultati medici positivi
Coating nanostrutturati biocompatibili: IMPIANTI CON RIVESTIMENTI NANOSTRUTTURATI DI CNT
CONCLUSIONI
I film nanostrutturati multicomponente sviluppati dal Gruppo Clusternanotech mostrano promettenti caratteristiche per l’utilizzo come rivestimenti tribologici per impianti medici a carico. Le loro proprietà chimiche e meccaniche eccellenti, combinate con la bioattività, la biocompatibilità e la non tossicità, li rendono candidati ideali per migliorare le prestazioni degli impianti medici e favorire una migliore guarigione e integrazione con i tessuti umani.
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