Più economiche, più resistenti, meno tossiche: le nuove leghe si dimostrano promettenti nello sviluppo di arti artificiali

25 novembre 2022

di Michael Oluwatosin Bodunrin, La conversazione

Il titanio è un metallo forte, resistente e relativamente leggero. Anche le sue proprietà sono state ben studiate; gli scienziati ne sanno molto. Tutto ciò lo rende la base ideale per modellare arti artificiali, in particolare ginocchia e anche, e denti. Ha meno probabilità di arrugginirsi rispetto ad altri metalli e, come ha dimostrato la ricerca, è più compatibile con il corpo umano rispetto, ad esempio, agli acciai inossidabili e ai materiali a base di cobalto.

Ma c’è un grosso problema: il titanio non è economico. È difficile ottenere dati precisi, ma un costo medio prudente delle protesi a base di titanio è compreso tra 3.000 e 10.000 dollari. Si tratta di un costo costoso per la maggior parte delle persone, e proibitivo per la maggior parte delle persone nei paesi a medio e basso reddito come quelli africani.

Anche in questo caso, i dati sono scarsi, ma un recente studio sull’Africa sub-sahariana (escluso il Sud Africa, che dispone di strutture migliori per tali procedure rispetto alla maggior parte degli altri paesi del continente) ha rilevato che tra il 2009 e il 2018 sono state eseguite 606 protesi dell’anca e 763 del ginocchio. Molte più persone nella regione probabilmente necessitano di sostituzioni, ma ne rimarranno senza perché semplicemente non possono permettersi la procedura. E, con l’aumento della popolazione globale di persone di età pari o superiore a 65 anni, la domanda di impianti è destinata ad aumentare; questa fascia di età è soggetta a malattie come l'osteoporosi e l'artrosi.

Ecco perché stiamo lavorando per produrre materiali più economici a base di titanio che possano essere utilizzati per realizzare arti a prezzi accessibili. Nella nostra ultima ricerca io e i miei colleghi abbiamo sperimentato elementi metallici come titanio, alluminio, ferro e vanadio per creare nuove leghe. Li abbiamo testati in una soluzione che imita i fluidi corporei umani.

Abbiamo riscontrato che le nuove leghe presentavano una ruggine trascurabile nella soluzione. Le nuove leghe, che sono leggermente più economiche della lega di tipo commerciale, hanno funzionato bene e una lega ha addirittura superato le prestazioni.

Il più grande vantaggio del titanio per realizzare anche, ginocchia e denti artificiali è che è sicuro per l'uso nel corpo umano perché non si degrada facilmente se esposto ai fluidi corporei.

Tuttavia, quando il titanio viene utilizzato nella sua forma pura, non ha la forza e la resistenza all’usura necessarie per far fronte ai rigori dell’attività umana.

Ecco perché vengono aggiunti altri elementi metallici. Gli esempi includono alluminio, vanadio, zirconio, tantalio, niobio, molibdeno e ferro. Gli scienziati utilizzano questi e altri elementi per creare nuove leghe più forti e resistenti all'usura.

Attualmente la lega più utilizzata nelle anche e ginocchia artificiali è Ti-6Al-4V: 90% titanio, 6% alluminio e 4% vanadio. Sebbene sia efficace, presenta due grossi inconvenienti. Il primo è il costo. Il vanadio è costoso quasi quanto il titanio. La seconda è la tossicità: alluminio e vanadio sono tossici in grandi quantità. Quando il materiale si degrada a causa della corrosione, gli ioni vengono rilasciati nel corpo e possono causare infiammazioni croniche. Questi ioni sono stati collegati anche al morbo di Alzheimer.

Per questo studio abbiamo ridotto la quantità di alluminio e vanadio aggiunti a Ti-6Al-4V per creare nuovi materiali a base di titanio. Abbiamo anche escluso l’alluminio e sostituito completamente il vanadio con il ferro per creare un altro materiale più economico a base di titanio.

Quindi abbiamo studiato se questi nuovi materiali implantari si degradassero rapidamente se immersi nel fluido corporeo umano. Abbiamo utilizzato una soluzione chiamata Soluzione salina bilanciata di Hanks che contiene gli ingredienti principali del fluido corporeo umano. Abbiamo confrontato i nuovi materiali in titanio con il Ti-6Al-4V di grado commerciale comunemente utilizzato.

Quasi tutte le nuove leghe hanno funzionato meglio del Ti-6Al-4V nella soluzione salina. Quelli che si sono comportati peggio nella soluzione erano ancora alla pari con Ti-6Al-4V. E nessuna delle nuove leghe si è degradata più di 0,13 millimetri all’anno, il tasso di degradazione massimo consentito consentito per il materiale implantare.