Il titanio è il metallo perfetto per realizzare parti sostitutive del corpo umano

Mar 05, 2024

Professore di ingegneria meccanica, Università Edith Cowan

Laichang Zhang riceve finanziamenti dall'Australian Research Council attraverso Discovery Projects.

La Edith Cowan University fornisce finanziamenti come membro di The Conversation AU.

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Per celebrare l'Anno internazionale della tavola periodica degli elementi chimici diamo uno sguardo a come i ricercatori studiano alcuni degli elementi nel loro lavoro.

Oggi è il titanio, un metallo noto per la sua resistenza e leggerezza quindi ideale per realizzare sostituti di anche, ginocchia e altre parti del nostro corpo, ma viene utilizzato anche in altri settori.

Il titanio prende il nome dai Titani dell'antica mitologia greca, ma questo materiale assolutamente moderno si adatta bene a una vasta gamma di applicazioni high-tech.

Con il simbolo chimico Ti e un numero atomico 22, il titanio è un metallo color argento apprezzato per la sua bassa densità, elevata robustezza e resistenza alla corrosione.

Ho studiato per la prima volta il titanio tramite un master presso l'Istituto di ricerca sui metalli dell'Accademia cinese delle scienze nel 1999. Uno dei miei progetti era quello di studiare la formazione delle leghe di titanio per le loro caratteristiche di elevata resistenza.

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Da allora, le applicazioni di questo metallo sono cresciute in modo esponenziale, dal suo utilizzo (come biossido di titanio) in vernici, carta, dentifricio, creme solari e cosmetici, fino al suo utilizzo come lega negli impianti biomedici e nelle innovazioni aerospaziali.

Particolarmente emozionante è il connubio perfetto tra titanio e stampa 3D.

I materiali in titanio sono costosi e possono essere problematici quando si tratta di tecnologie di lavorazione tradizionali. Ad esempio, il suo elevato punto di fusione (1.670 ℃, molto più alto rispetto alle leghe di acciaio) rappresenta una sfida.

La precisione relativamente a basso costo della stampa 3D è quindi un punto di svolta per il titanio. La stampa 3D è il luogo in cui un oggetto viene costruito strato dopo strato e i progettisti possono creare forme sorprendenti.

Ciò consente la produzione di forme complesse come parti sostitutive di un osso mascellare, del tallone, dell'anca, di impianti dentali o di placche per cranioplastica in chirurgia. Può essere utilizzato anche per realizzare mazze da golf e componenti di aeromobili.

Il CSIRO sta lavorando con l’industria per sviluppare nuove tecnologie nella stampa 3D utilizzando il titanio. (Ha persino creato un drago in titanio.)

I progressi nella stampa 3D stanno aprendo nuove strade per migliorare ulteriormente la funzione degli impianti personalizzati di parti del corpo realizzati in titanio.

Tali impianti possono essere progettati per essere porosi, rendendoli più leggeri ma consentendo il passaggio di sangue, sostanze nutritive e nervi e possono persino favorire la crescita ossea.

Il titanio è considerato il metallo più biocompatibile – non dannoso o tossico per i tessuti viventi – grazie alla sua resistenza alla corrosione dei fluidi corporei. Questa capacità di resistere al duro ambiente corporeo è il risultato della pellicola protettiva di ossido che si forma naturalmente in presenza di ossigeno.

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La sua capacità di legarsi fisicamente all'osso conferisce inoltre al titanio un vantaggio rispetto ad altri materiali che richiedono l'uso di un adesivo per rimanere attaccati. Gli impianti in titanio durano più a lungo e sono necessarie forze molto maggiori per rompere i legami che li uniscono al corpo rispetto alle loro alternative.

Le leghe di titanio comunemente utilizzate negli impianti portanti sono significativamente meno rigide – e più vicine in termini di prestazioni all’osso umano – rispetto all’acciaio inossidabile o alle leghe a base di cobalto.

Il titanio pesa circa la metà dell'acciaio ma è più resistente del 30%, il che lo rende ideale per l'industria aerospaziale dove ogni grammo conta.

Alla fine degli anni ’40 il governo degli Stati Uniti contribuì ad avviare la produzione del titanio poiché ne vedeva il potenziale per “aerei, missili, veicoli spaziali e altri scopi militari”.

Il titanio è diventato sempre più il materiale “buy-to-fly” per i progettisti di aerei che cercano di sviluppare velivoli più veloci, leggeri ed efficienti.