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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4349 (2023) Citare questo articolo

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La protesi di ginocchio monoasse è un dispositivo biomeccanico artificiale che fornisce movimento agli amputati senza la necessità di apparecchi di assistenza. Oltre ad essere composto principalmente da materiali metallici, gli attuali materiali commerciali non raggruppano proprietà adeguate per un utilizzo a lungo termine o costi accessibili. Questo studio ha prodotto e caratterizzato leghe Ti- (10 −x) Al-xV (x = 0, 2 e 4 in peso%) per un potenziale utilizzo come protesi del ginocchio ad asse singolo. I campioni hanno mostrato una graduale diminuzione dei valori di densità, con una corretta miscelazione chimica degli elementi di lega su microscala. La composizione della fase mostrava una fase α primaria con una fase minore α′ + β per i campioni Ti-8Al-2V e Ti-6Al-4V. A causa del loro diverso raggio atomico rispetto al Ti, l’aggiunta di elementi di lega ha modificato i parametri delle celle. Le proprietà meccaniche selezionate (modulo di Young, microdurezza Vickers e fattore di smorzamento) hanno ottenuto valori migliori rispetto al CP-Ti grado 4. I campioni hanno anche mostrato buone proprietà di corrosione rispetto alla soluzione marina simulata. La resistenza alla tribocorrosione dei campioni era migliore rispetto al materiale di riferimento, con le tracce di usura composte da alcuni tribostrati e scanalature risultanti dall'usura adesiva e abrasiva. La lega Ti-10Al ha mostrato le migliori proprietà e il basso costo stimato per essere utilizzata come protesi del ginocchio ad asse singolo.

La protesi del ginocchio è un dispositivo biomeccanico utilizzato dai pazienti con amputazione della gamba ed è un modo efficace per riprendersi dalla camminata, dal jogging e dallo stare in piedi senza bisogno di apparecchi di assistenza. L'amputazione della gamba è il risultato di lesioni (incidenti stradali o sul lavoro) o di malattie (croniche o legate all'età) che richiedono la rimozione chirurgica dell'arto1. Le ginocchia protesiche possono essere meccaniche o computerizzate, essendo la prima la scelta più economica per il paziente. La protesi meccanica del ginocchio si divide anche in base al numero di assi di rotazione, che possono essere monoasse, multiasse o policentrico2. Il monoasse è il tipo più semplice che consente solo la flessione e l'estensione del ginocchio, essendo la migliore opzione economicamente vantaggiosa per le persone povere e anziane2,3. Gli svantaggi principali riguardano l'eccessiva potenza muscolare necessaria per mantenere una posizione stabile nella deambulazione e nella posizione eretta, e la difficoltà nel controllare la rotazione del ginocchio, che potrebbe influire sullo schema dell'andatura e produrre un rischio di cadute e lesioni4. Considerando che le attuali protesi in acciaio inossidabile non soddisfano le esigenze cliniche, la progettazione di leghe a base di Ti a basso costo può potenzialmente superare questi inconvenienti senza aumentare eccessivamente i costi.

Il Ti e le sue leghe sono stati utilizzati principalmente come materiali biomedici grazie alle loro favorevoli proprietà meccaniche, di corrosione, di usura e biologiche. L'utilizzo consiste principalmente in impianti e dispositivi per ortopedia, cardiologia e odontoiatria5. La combinazione di elementi di lega e adeguati trattamenti termo-meccanici può modificare la proporzione della fase α (struttura cristallina esagonale compattata, hcp) e β (struttura cristallina cubica a corpo centrato, bcc) o precipitare fasi metastabili (come la fase martensitica α′ e α″ o ω) che possono avere un impatto diretto sulle proprietà del Ti6. La formazione di soluzioni solide di Ti con elementi di lega non tossici è stata attualmente stabilita come una strategia intelligente per superare le limitazioni riguardanti l'effetto di protezione dallo stress promosso dal disadattamento del modulo di Young con l'osso umano, i guasti promossi dalla corrosione dei fluidi corporei e la tossicità derivato dal rilascio di ioni e detriti originati da meccanismi di usura7. Tuttavia, lo sviluppo di nuovi materiali a base di Ti che soddisfino tutte le esigenze cliniche è ancora impegnativo.

La lega Ti-6Al-4V, chiamata anche CP-Ti grado 5, è designata dallo standard ASTM F1368 ed è attualmente la lega Ti più popolare al mondo. Il materiale è stato sviluppato negli anni '50 per l'utilizzo in componenti strutturali di aeromobili e spazi aerei grazie alla sua leggerezza, elevata resistenza, eccellente tenacità alla frattura e buona resistenza alla corrosione fornita dalla sua composizione a doppia fase α + β. Negli anni '70 il materiale cominciò ad essere utilizzato come biomateriale, in particolare nella produzione di impianti ortopedici. Tuttavia, alcune preoccupazioni circa il rilascio di ioni Al e V nocivi e tossici continuano a mettere in guardia la Medicina9,10. In questo scenario, alcune strategie per superare questo inconveniente e aprire nuove applicazioni si basano sull’aggiunta di elementi di lega, come le leghe Ti–Al–V–X (X = Fe, Zr e Mo)11,12,13. Tuttavia, gli studi attuali si sono concentrati solo sulle potenziali applicazioni delle leghe di Ti negli impianti biomedici senza considerare le protesi esterne, nonostante le ampie richieste nel settore.