Uno studio comparativo sulla resistenza alla corrosione del Ti-6Al-4V prodotto tramite estrusione di materiale e altre tecnologie di manifattura additiva

Perché gli impianti in titanio stampati in 3D sono importanti

Molte moderne protesi d’anca, placche ossee e viti dentali sono realizzate con una lega di titanio denominata Ti-6Al-4V. Questo metallo è resistente, leggero e di solito molto resistente ai danni da corrosione all’interno del corpo. Nuove metodologie di stampa 3D promettono impianti più economici e personalizzati, ma alterano anche la microstruttura e la porosità del metallo. Questo studio pone una domanda semplice ma con grandi implicazioni mediche: percorsi diversi di stampa 3D rendono questa lega affidabile più soggetta a corrodersi e a rilasciare metallo nel corpo?

Diversi modi per stampare lo stesso metallo

I ricercatori hanno confrontato tre avanzati metodi di stampa 3D più una versione tradizionale forgiata di Ti-6Al-4V. Due metodi, la fusione a fascio di elettroni (EBM) e la fusione a letto di polvere con laser (LPBF), usano fasci intensi per fondere strati di polvere sciolta in parti dense. Il più recente percorso di estrusione di materiale (MEX), invece, stampa un filamento plastico caricato di metallo in una forma, rimuove la plastica e poi sinterizza la polvere metallica compattata in un solido. Sebbene tutti e quattro i percorsi partano dalla stessa composizione di titanio, alluminio e vanadio, lasciano superfici, pori e schemi interni di cristalli molto diversi all’interno del metallo. Queste differenze nascoste influenzano fortemente come i fluidi e l’ossigeno disciolto raggiungono il metallo quando è in servizio come impianto.

Superfici ruvide e vuoti nascosti

Usando scansioni 3D delle superfici e microscopi, il gruppo ha riscontrato che tutti i campioni stampati in 3D avevano superfici esterne ruvide e ondulate. Quella rugosità può essere una benedizione o una maledizione. Da un lato favorisce l’osteointegrazione degli impianti, migliorandone l’ancoraggio. Dall’altro può anche offrire rifugio ai batteri. Il contrasto principale è emerso all’interno delle parti. EBM e LPBF hanno creato metallo per lo più denso con solo pochi pori piccoli e arrotondati. MEX, al contrario, conteneva una rete periodica di vuoti più grandi e allungati allineati con i filamenti e gli strati di stampa. Questa rete di pori incorporata non è solo qualche difetto isolato: forma percorsi che possono potenzialmente lasciare penetrare il liquido in profondità nella parte. Tutti i campioni condividevano la stessa struttura cristallina “bifasica” di base, ma la forma e la disposizione di quelle fasi differivano, il che può modificare sottilmente come diverse regioni della lega rispondono a condizioni corrosive.

Come si comporta la lega in fluidi simili a quelli del corpo

Per simulare l’esposizione all’interno del corpo umano, i ricercatori hanno immerso i campioni in soluzioni saline a temperatura corporea e monitorato quanta corrente fluiva durante test elettrochimici, una misura dell’attività corrosiva. In una soluzione tampone fosfato, lievemente aggressiva e simile al corpo, tutte le leghe stampate in 3D — incluso MEX — hanno formato un film ossidico protettivo stabile sulle superfici, simile al metallo forgiato tradizionale. Dopo molte ore, le correnti si sono stabilizzate su valori molto bassi, indicando un’eccellente resistenza complessiva. Sono emerse piccole differenze quando le superfici sono state lucidate. In quel caso, le parti MEX hanno mostrato correnti leggermente più elevate, suggerendo che la lucidatura aveva inciso nei loro grandi pori ed esposto superfici interne al liquido, aumentando l’area effettiva dove la corrosione poteva iniziare. Tuttavia, in questo ambiente gentile, anche il MEX si è comportato in modo accettabile.

Cosa succede in condizioni più aggressive e acide

La situazione è cambiata in condizioni più estreme, pensate per simulare ambienti locali che possono insorgere vicino agli impianti, come all’interno di fessure strette o tessuto infiammato, dove il fluido può diventare acido e l’ossigeno può scarseggiare. Test brevi in soluzioni saline molto acide hanno mostrato che tutte le versioni di Ti-6Al-4V corrodono più rapidamente e che certe regioni microscopiche del metallo si dissolvono più facilmente di altre. I ricercatori hanno osservato che una delle fasi della lega (la cosiddetta fase alfa) tendeva a corrodere leggermente più velocemente dell’altra (beta), creando attacchi selettivi su scala fine. Tuttavia, i tassi di corrosione complessivi dei diversi percorsi di fabbricazione apparivano ancora simili su tempi brevi. Nei test a lungo termine durati molte settimane, l’impatto più profondo dei pori è diventato chiaro. I campioni forgiati, EBM e LPBF hanno mostrato principalmente un assottigliamento generale e delicato con solo occasionali piccole cavità, e i loro tassi di corrosione si sono persino rallentati man mano che gli strati protettivi si ispessivano. Le parti MEX, invece, hanno perso materiale da tre a cinque volte più rapidamente. La microscopia ha rivelato che una volta che la superficie esterna era stata lucidata, i macropori interconnessi si aprivano direttamente sul fluido di prova. Ciò ha permesso alla soluzione acida di infiltrarsi lungo la rete di pori, ingrandendo i vuoti e spingendo la corrosione molto verso l’interno.

Cosa significa questo per i futuri impianti

Per pazienti e progettisti, la conclusione principale è rassicurante ma sfumata. Quando il Ti-6Al-4V è prodotto con moderne tecniche di stampa 3D basate su fasci (EBM e LPBF), la sua resistenza alla corrosione in fluidi simili a quelli del corpo resta paragonabile al metallo forgiato tradizionale. La preoccupazione principale riguarda l’estrusione di materiale basata su sinterizzazione: la sua rete incorporata di pori grandi e connessi può compromettere seriamente la durabilità in ambienti acidi e aggressivi che talvolta si verificano attorno agli impianti. Gli autori concludono che, sebbene tutti i metodi testati possano produrre parti chimicamente robuste in condizioni normali, il MEX richiederà un controllo migliore della porosità — tramite ottimizzazione della stampa, della sinterizzazione o trattamenti successivi — prima di poter eguagliare in sicurezza le prestazioni di corrosione a lungo termine richieste per le applicazioni biomedicali e ingegneristiche più esigenti.

Citazione: Lorenzi, S., Nani, L., Persico, T. et al. A comparative study on the corrosion resistance of Ti-6Al-4V produced via material extrusion and other additive manufacturing technologies. npj Mater Degrad 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00745-4

Parole chiave: impianti in titanio, stampa 3D, corrosione, biomateriali, manifattura additiva