(Microsoft PowerPoint - wyk\263ad 1 wprowadzenie.ppt)
(Microsoft PowerPoint - wyk\263ad 1 wprowadzenie.ppt)
(Microsoft PowerPoint - wyk\263ad 1 wprowadzenie.ppt)
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Biomateriały<br />
Materiały dla Medycyny<br />
Wykład 1<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Transplantologia<br />
Transplanty<br />
(przeszczep)<br />
Autografty<br />
Allografty<br />
Izografty<br />
Ksenografty<br />
Materiały dla<br />
medycyny<br />
Inżynieria<br />
Tkankowa<br />
Podłoża/skafoldy<br />
Biomateriały<br />
Medycyna<br />
regeneracyjna<br />
inteligentne bio<br />
-materiały<br />
BIOMATERIAŁY<br />
Implantologia<br />
Implanty<br />
(wszczep)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
!<br />
¦���<br />
����
TRANSPLANTACJA<br />
• Czyli przeszczepienie tkanki lub organu w<br />
obrębie tego samego organizmu lub dwóch<br />
różnych<br />
• Konieczna w przypadku niewydolności<br />
nerek, serca, wątroby, uszkodzenia szpiku,<br />
wrodzonych niedoborów odporności,<br />
niektórych nowotworach<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implantacja<br />
Czyli wszczepienie sztucznego tworzywa<br />
(biomateriał) w obręb tkanki w celu jej<br />
zastąpienia, przywrócenia ciągłości<br />
(zespolenia), przejęcia funkcji, wywołania<br />
procesu jej regeneracji lub wywołania<br />
innych procesów mających na celu<br />
ratowanie zdrowia, życia lub poprawę jego<br />
komfortu.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ze względu na różnice genetyczne<br />
wyróżniamy przeszczepy:<br />
• autologiczny – dawca i biorca to te same<br />
osoby<br />
• izogeniczny – identyczne genetycznie<br />
osobniki tego samego gatunku np.<br />
bliźnięta monozygotyczne<br />
• allogeniczny – różne genetycznie osobniki<br />
tego samego gatunku<br />
• ksenogeniczny – osobniki różnych<br />
gatunków<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty – wszczepy<br />
z czego je się wykonuje?<br />
• Metali i ich stopów (stal, tytan, stopy)<br />
• Polimerów; sztuczne i biopolimery<br />
(resorbowalne, trwałe, hydrożele)<br />
• Ceramiki (spiekane tlenki, HAp, bioszkło)<br />
• Węgla (pokrycia, włókna, węgiel aktywny)<br />
• Kompozytów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Inżynieria Biomateriałów<br />
Podstawowe definicje<br />
Rys historyczny<br />
Czasopisma naukowe<br />
Podstawowe instytucje, stowarzyszenia<br />
Podział biomateriałów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Inżynieria Biomateriałów<br />
Interdyscyplinarna dziedzina wiedzy<br />
zajmująca się projektowaniem,<br />
wytwarzaniem i optymalizacją materiałów<br />
dla medycyny.<br />
Inżynieria materiałów, medycyna, biologia,<br />
immunologia, histologia, cytobiologia i inne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Inżynieria Biomateriałów- Biomaterialy<br />
Zapotrzebowanie kliniczne-<br />
Projekt biomateriału<br />
Badania materiału; fizyczne, chemiczne,<br />
biologiczne (in vitro, in vivo).<br />
Wytworzenie biomateriału, badania;<br />
fizyczne, chemiczne, biologiczne<br />
(in vitro, in vivo)<br />
Badania kliniczne<br />
Atest<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Definicje<br />
Biomateriał to każda substancja, inna niż lek lub<br />
kombinacja substancji syntetycznych i<br />
naturalnych, która może być użyta w<br />
dowolnym okresie, a której zadaniem jest<br />
uzupełnienie lub zastąpienie narządu, albo jego<br />
części lub przejęcie czasowe lub na stałe jego<br />
funkcji.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty – wszczepy<br />
jakie stawia się im wymagania?<br />
• Biozgodność (biokompatybilność)<br />
• Biofunkcyjność<br />
• Biozgodność mechaniczna, biozgodność<br />
mikrostrukturalna, biozgodność<br />
chemiczna, elektryczna, magnetyczna…<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biozgodność definicje<br />
• Biomateriał jest biozgodny jeżeli nie<br />
wywołuje w tkankach działania:<br />
• drażniącego<br />
• immunologicznego<br />
• alergicznego<br />
• kancerogennego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biozgodność i Biofunkcyjność<br />
Biozgodność to zdolność materiału do<br />
wywoływania odpowiedzi gospodarza, zgodnej<br />
z przeznaczeniem implantu.<br />
Charakter odpowiedzi środ. biol. decyduje o<br />
biozgodności materiału<br />
Biofunkcyjność to zdolność materiału do<br />
przejmowania funkcji tkanek i narządów, do<br />
leczenia których został zastosowany<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Przyczyny rozwoju<br />
Przyczyny rozwoju - wzrastające<br />
zapotrzebowanie na materiały<br />
implantacyjne<br />
„urazowość” życia (rozwój cywilizacji, klęski żywiołowe)<br />
wydłużenie ludzkiego życia<br />
ograniczenia transplantologii<br />
choroby cywilizacyjne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Niektóre czasopisma dotyczące tematyki biomateriałów<br />
Advanced Drug Delivery Reviews (Elsevier)<br />
American Journal of Drug Delivery (Adis International)<br />
American Society of Artificial Internal Organs Transactions<br />
Annals of Biomedical Engineering (Blackwell - Official Publication of the Biomedical Engineering<br />
Society)<br />
Annual reviews of Biomedical Engineering<br />
Artificial Organs (Raven Press)<br />
Biomedical Engineering OnLine (electronic - http://www.biomedical-engineering-online.com/start.asp)<br />
Bio-medical Materials and Engineering (ed. T. Yokobori, Pergamon Press)<br />
Biomaterial-Living System Interactions (BioMir; Sevastianov, ed)<br />
Biomaterials (including Clinical Materials) (Elsevier)<br />
Biomaterials, Artificial Cells and Artificial Organs - (Ed., T.M.S. Chang)<br />
Cells and Materials (Scanning Microscopy International)<br />
Cell Transplantation (Pergamon)<br />
Clinical Biomechanics<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Dental Materials<br />
Drug Delivery Systems & Sciences (Euromed Scientific)<br />
Drug Targeting and Delivery (Academic Press)<br />
European Cells and Materials (http://www.ecmjournal.org/)<br />
IEEE Transactions on Biomedical Engineering<br />
International Journal of Artificial Organs (Wichtig Editore)<br />
Journal of Bioactive and Compatible Polymers (Technomics)<br />
Journal of Biomaterials Applications (Technomics)<br />
Journal of Biomaterials Science: Polymer Edition (VSP Publishers)<br />
Journal of Biomedical Materials Research (Wiley- Official Publication of the Society for Biomaterials)<br />
Journal of Biomedical Materials Research: Applied Biomaterials (Wiley)<br />
Journal of Controlled Release (Elsevier)<br />
Journal of Drug Targeting (Harwood Academic Publishers)<br />
Journal of Engineering in Medicine (Institution of Mechanical Engineers)<br />
Journal of Long Term Effects of Medical Implants (CRC Press)<br />
Materials in Medicine (Chapman and Hall - Official Publication of the European Society for<br />
Biomaterials)<br />
Medical Device and Diagnostics Industry (Canon Publications)<br />
Regenerative Medicine<br />
Tissue Engineering (Mary Ann Liebert, Inc.)<br />
Trends in Biomaterials & Artificial Organs (Society For Biomaterials And Artificial Organs – India)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rys historyczny<br />
• 2500pne Egipcjanie, Rzymianie, Chińczycy<br />
i Aztekowie<br />
• Drzewo, złoto, kość słoniowa, kamienie<br />
szlachetne – zastępowanie i uzupełnianie<br />
ubytków w tkance kostnej<br />
• Nici lniane i pochodzenia zwierzęcego,<br />
srebrne, metalowe, również<br />
rozpowszechnione w średniowieczu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rys historyczny c.d.<br />
• Leonardo Da Vinci 1508-opracowanie idei<br />
soczewek kontaktowych, Adolf Fick 1860 –<br />
pierwsze eksperymenty na zwierzętach i<br />
próby z zastosowaniem u ludzi<br />
• Hallowell 1759 – połączenie zranionej<br />
arterii przy pomocy drzewa i nici<br />
• Wprowadzenie aseptyki do praktyki<br />
klinicznej-1860<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rys historyczny c.d.<br />
• Początek XX wieku <strong>wprowadzenie</strong> sztucznych materiałów<br />
do leczenia ludzkiego organizmu<br />
• 1904 – 1926 –stalowe śruby , druty , płytki do łączenia<br />
kości<br />
Po II wojnie światowej – epoka chirurgów bohaterów<br />
• Sir Harold Ridley – soczewki wewnątrzgałkowe<br />
• T.Gluck, M.N. Smith-Petersen, J.Charnley – protezy stawu<br />
biodrowego<br />
• A.Carrel, Blackmore pierwsze protezy naczyń – 1942<br />
• J.Hopps rozrusznik serca – 1949<br />
• C.Hufnagel zastawka serca – 1952<br />
• W. Kloff sztuczne serce – 1957 (w Rosji 1930)<br />
• J.Gibbon płuco serce - 1964<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rys historyczny c.d.<br />
• Sześćdziesiąte lata XX – powstanie<br />
dziedziny inżynieria biomateriałów<br />
• Wprowadzenie oprócz metali i ich stopów<br />
materiałów polimerowych, ceramicznych,<br />
węglowych i ich kompozytów do<br />
konstrukcji materiałów medycznych<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biomateriały – pierwsza generacja<br />
• Materiały dobierane przypadkowo<br />
• Sukcesy przypadkowe a nie planowane<br />
• Przykłady;<br />
Drewno, złoto, stal, kość słoniowa, sztuczne<br />
naczynia krwionośne wykonane z<br />
materiałów, przeznaczonych na<br />
spadochrony np.nylon.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biomateriały – druga generacja<br />
• Zaawansowane materiały zapożyczone z innych<br />
dziedzin<br />
• Implanty, projektowane dla medycyny<br />
• Współpraca lekarzy i inżynierów<br />
Przykłady;<br />
Stopy tytanu, kobalt- chrom, molibden, polietylen<br />
wysoko-cząsteczkowy, bioceramika, sztuczny<br />
staw biodrowy, rozrusznik serca.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biomateriały – trzecia generacja<br />
sterowana regeneracja tkanek<br />
Bioinżynieria materiałów, materiały projektowane w<br />
celu wywoływania określonej reakcji<br />
komórkowej, bioinżynieria powierzchni,<br />
biomimetyczna mikrostruktura.<br />
Przykłady;<br />
Integra – sztuczna skóra, resorbowalny cement<br />
kostny, technika GBR w stomatologii i leczeniu<br />
ubytków chrząstki i kości.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biomaterialy – najnowszej generacji<br />
• Narządy hybrydowe, immunoizolacja<br />
komórek<br />
• Biosensory, nośniki leków i genów<br />
• Podłoża 3D do hodowli tkanek – inżynieria<br />
tkankowa<br />
• Nanotechnologie, nowe materiały i<br />
technologie, nanomedycyna, medycyna<br />
regeneracyjna.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Organizacje<br />
The European Society for Biomaterials 1975<br />
American Society for Artificial Internal<br />
Organs 1954<br />
Japanese Society of Biomaterials 1978<br />
i wiele innych<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polskie Stowarzyszenie Biomateriałów<br />
(zostało wprowadzone do struktur europejskich w 2004 roku)<br />
http://www.biomat.krakow.pl/<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Organizacje regulujące aspekty prawne, normy, procedury<br />
dot. badań i wprowadzania wyrobów na rynek<br />
• Food and Drug Administration USA<br />
• The European Agency for the Evaluation of<br />
Medical Products<br />
• Polski Komitet Normalizacji - tłumaczenie<br />
norm ISO<br />
• Norma pt. Biologiczna ocena Wyrobów<br />
Medycznych tożsama z ISO 10993<br />
• Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego<br />
• Zakład Badania Biomateriałów AM Wrocław<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Klasyfikacja i podział biomateriałów<br />
ze względu na;<br />
• Rodzaj tkanek do jakich są przeznaczone ( kość,<br />
chrząstka..)<br />
• Reakcję pomiędzy tkanką i biomateriałem (inertne,<br />
resorbowalne, degradowalne)<br />
• Dziedzina medycyny (implanty dla okulistyki,<br />
laryngologii, stomatologii, chirurgii kostnej,<br />
kardiochirurgii…)<br />
• Czas kontaktu z tkankami (czasowe, permanentne)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kliniczny podział biomateriałów<br />
• Implanty mechaniczne<br />
• Materiały do zespalania tkanek<br />
• Implanty przeznaczone do kontaktu z krwią<br />
• Materiały do leczenia ubytków tkanek<br />
• Nośniki leków, materiały do enkapsulacji komórek<br />
• Podłoża dla inżynierii tkankowej i terapii genowej,<br />
materiały dla medycyny regeneracyjnej.<br />
• Sztuczne narządy<br />
• Sprzęt rehabilitacyjny<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
BIOMATERIAŁY<br />
IMPLANTY<br />
Przykłady zastosowań<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kliniczny podział biomateriałów<br />
• Implanty mechaniczne – endoprotezy<br />
stawów, płytki, śruby gwoździe,<br />
stabilizatory dla osteosyntezy kości.<br />
• Materiały do zespalania tkanek – nici<br />
chirurgiczne, cementy i kleje tkankowe.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kliniczny podział biomateriałów<br />
• Implanty przeznaczone do kontaktu z krwi<br />
– stenty, zastawki serca, sztuczne naczynia<br />
krwionośne.<br />
• Materiały do leczenia ubytków tkanek –<br />
implanty w formie gąbek lub włóknin,<br />
przeznaczone do wypełniania ubytków.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kliniczny podział biomateriałów<br />
• Nośniki leków, materiały do enkapsulacji komórek –<br />
ceramiczne lub polimerowe kształtki zawierające lek<br />
umieszczane w chorej tkance pozwalające na miejscowe<br />
dostarczanie leku do tkanki. Polimerowe porowate<br />
struktury odizolowujące zdrowe komórki (wprowadzane<br />
do chorego narządu) przed działaniem obronnym komórek<br />
gospodarza.<br />
• Podłoża dla inżynierii tkankowej i terapii genowej,<br />
materiały dla medycyny regeneracyjnej –<br />
trójwymiarowe podłoża, zaopatrzone w bioaktywne<br />
czynniki, zasiedlane przez komórki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Pytania dotyczące wykładu 1;<br />
• Inżynieria biomateriałów – charakterystyka,<br />
obszar tematyczny, podstawowe definicje.<br />
• Klasyfikacja, podział, rodzaje biomateriałów.<br />
• Wszczep – przeszczep, implanty- transplanty;<br />
wyjaśnić różnicę podać definicje.<br />
• Biomateriały w klinice – rodzaje zastosowań.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zdolność do wywoływania przez materiał<br />
odpowiedzi gospodarza, adekwatnej do jego<br />
(implantu) przeznaczenia.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biozgodność – jako oddziaływań<br />
implant –żywy organizm<br />
implant<br />
Degradacjaprodukty<br />
degradacji<br />
Środowisko<br />
biologiczne<br />
Odpowiedź tkanek<br />
komórek,- odpowiedź<br />
organizmu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Aby przekonać się o tym czy<br />
materiał jest biozgodny trzeba<br />
zbadać odpowiedź żywego<br />
organizmu na materiał i jego<br />
produkty degradacji czyli odpowiedź<br />
biologiczna i odpowiedź materiału<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biozgodność materiału<br />
implantacyjnego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biozgodność materiału implantacyjnego –<br />
wynik reakcji implant - tkanka<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Materiały witalne i niewitalne (syntetyczne)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Czynniki pochodzące od macierzy zewnątrz -komórkowej i komórek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
IMPLANT – TKANKA<br />
oddziaływanie<br />
Reakcja materiału na działanie środowiska biologicznego<br />
(odpowiedź implantu)<br />
Degradacja; fragmentacja, erozja, zmiana<br />
parametrów fizycznych i chemicznych<br />
materiału.<br />
Utlenianie, korozja<br />
Depolimeryzacja<br />
Przebudowa chemicznej struktury powierzchni<br />
– adhezja biomolekuł, tworzenie wiązań<br />
chemicznych z otaczająca tkanką<br />
Rozpuszczanie, hydroliza<br />
Degradacja enzymatyczna<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
IMPLANT – TKANKA<br />
oddziaływanie<br />
Syntetyczny materiał wpływa na środowisko<br />
biologiczne<br />
Zmienia środowisko komórek;<br />
Warunki chemiczne (skład chemiczny)<br />
Pole elektryczne, magnetyczne<br />
Naprężenia (ekranowanie)<br />
I inne parametry środ .biol biol.<br />
Zakłóca transport; energii, informacji,masy w<br />
układzie tkanka – komórka.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Reakcja środowiska biologicznego na implantacje<br />
materiału (odpowiedź komórkowa, tkankowa)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Proces leczenia rany (normalny)<br />
Krzepnięcie krwi<br />
Stan zapalny<br />
Tkanka ziarninowa, naczynia krwionośne<br />
Napływ komórek i przebudowa (remodeling)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Proces naprawczy-<br />
tkanka miękka<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Faza rekcji zapalnej i ziarninowania<br />
Faza rozplemowa<br />
Faza wytwarzania kostniny twardej<br />
Faza przebudowy (remodeling)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Lokalna reakcja tkanek na implantacje<br />
(elementy)<br />
Foreign body reaction)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Reakcja środowiska biologicznego na implant<br />
zależy od;<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
FBR<br />
Foreign Body Reaction)<br />
fagocytoza<br />
wielojądrzaste komórki około ciała obcego<br />
otoczka (torebka) włóknista<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Komórka olbrzymia około ciała obcego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Otoczka włóknista wokół implantu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kancerogenność biomateriałów<br />
Zmiany w metabolizmie, replikacji komórek kom rek<br />
prowadzące prowadz ce do mutagenizacji mogą mog<br />
następowa<br />
nast pować w wyniku działania: dzia ania:<br />
Chemicznego – substancje uwalniane przez<br />
implant<br />
Obecności Obecno ci ciała cia a obcego – wpływ wp yw materiału materia u na<br />
ograniczenie transportu w tkankach, na zmiany<br />
pola elektrycznego i magnetycznego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
(infekcja)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
BIOMATERIAŁY<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Degradacja materiałów w środowisku<br />
biologicznym - definicja<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Projektowanie badań degradacji materiału –<br />
określenie warunków termicznych,<br />
chemicznych i mechanicznych<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania degradacji materiałów w warunkach<br />
sztucznego środowiska biologicznego.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania biomateriałów – rodzaje badań<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biomateriały – badania<br />
rola powierzchni w badaniach biomateriałów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania biomateriałów – rodzaje badań<br />
powierzchni<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Słynne porażki inżynierii biomateriałów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Dlaczego biozgodne implanty ulegają<br />
niszczeniu lub są toksyczne dla tkanek?<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kliniczne przyczyny niszczenia biomateriałów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania odpowiedzi biologicznej na materiał<br />
(implant)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania odpowiedzi biologicznej na<br />
materiał (implant)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Modele komórkowe stosowane w badaniach<br />
in vitro<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania in vivo<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badnia in vivo – badania tkanek otaczających<br />
implant (odpowiedź tkanek na implant)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania mikroskopowe struktury tkanek –<br />
badania histologiczne<br />
Barwienie:<br />
- MGG<br />
hematoksylina & eozyna<br />
trichromatyczne metodą Massona<br />
(Massona – Goldnera)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Badania struktury i metabolizmu tkanki –<br />
badania histochemiczne.<br />
Zbiór metod pozwalających na<br />
umiejscowienie w komórkach i tkankach<br />
określonych substancji chemicznych oraz<br />
enzymów. Stanowi połączenie metodyki<br />
histologicznej i reakcji chemicznych.<br />
Reakcje histochemiczne prowadzą do uwidocznienia w preparacie<br />
mikroskopowym jedynie ściśle określonych substancji lub grup<br />
chemicznych, będących przedmiotem badań. Cechuje je zatem<br />
specyficzność (swoistość) stanowiąca podstawową cechę metodyki<br />
histochemicznej. Struktura tkanki pozostaje zachowana<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
IDEA<br />
⇓<br />
⇓<br />
PACJENT<br />
Zapotrzebowanie; zdrowie,<br />
poprawa kondycji, zastąpienie<br />
chorej tkanki lub organu<br />
Nowy rodzaj implantu<br />
Materiał - metoda wytwarzania<br />
Badania materiału – biozgodność<br />
in vitro, in vivo, degradacja<br />
materiału<br />
Produkcja<br />
Sterylizacja, konfekcjonowanie<br />
Badania wyrobu (implantu),<br />
biofunkcyjność, biozgodność<br />
badania in vitro, in vivo.<br />
Badania kliniczne<br />
Badania implantów po<br />
zastosowaniu w klinice i<br />
badaniach z wykorzystaniem<br />
zwierząt doświadczalnych<br />
Atesty, regulacje prawne,<br />
Lekarz, naukowiec, wynalazca,<br />
inżynier biomedyczny<br />
Lekarz, inżynier<br />
Ceramik, chemik, metalurg<br />
Inżynier biomedyczny, inżynier<br />
mechanik, chemik, biochemik,<br />
weterynarz, biolog, immunolog.<br />
Inżynier, ekonomista<br />
Inżynier biomedyczny<br />
Inżynier biomedyczny, lekarz, biolog.<br />
Lekarz, nadzór i organizacja badań<br />
klinicznych<br />
Lekarz, patolog, inżynier biomedyczny<br />
Urzędnicy instytucji wydających atest,<br />
zgoda na <strong>wprowadzenie</strong> wyrobu<br />
medycznego na rynek<br />
¢£ ¤¥ ¦§ ¨¥ ¡<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metal jako biomateriał<br />
Wykład 4<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metal jako biomateriał<br />
• Zastosowania kliniczne metali i ich stopów<br />
• Charakterystyka biomateriałów<br />
metalicznych (fizyczna, chemiczna i<br />
biologiczna)<br />
• Degradacja metali w środowisku<br />
biologicznym – korozja<br />
• Metale z pamięcią kształtu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty metaliczne<br />
� 40% z 3.6 miliona rocznie wykonywanych operacji ortopedycznych<br />
� Rynek implantów metalicznych - 6 miliardów $<br />
� 5 na 100 Amerykanów nosi w sobie kawałek metalu!<br />
Zastosowania:<br />
Chirurgia kostna:<br />
� Wewnętrzna fiksacja (śruby, płytki, gwoździe, klamry)<br />
� Endoprotezoplastyka stawu biodrowego, kolanowego i barkowego<br />
� Stomatologia, chirurgia szczękowo-twarzowa<br />
(implanty stomatologiczne, ortodontyczne, fiksacja wewnętrzna)<br />
Kardiochirurgia:<br />
� Stenty<br />
� Zastawki serca<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metale i ich stopy w medycynie<br />
Rodzaje metali i stopów<br />
wykorzystywanych w medycynie<br />
• Stale austenityczne, kwasoodporne o<br />
ustalonym składzie chemicznym<br />
zawierające nikiel, molibden i chrom, bez<br />
faz ferromagnetycznych – instrumentarium<br />
chirurgiczne, płytki do osteosyntezy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metale i ich stopy w medycynie<br />
• Stopy na osnowie kobaltu z chromem i<br />
molibdenem lub niklem Co-Cr-Mo, Co-Ni,<br />
Cr-Mo; elementy endoprotez, zastawki<br />
serca<br />
• Stopy na osnowie tytanu,Ti-Al-V, Ti–Al-Nb,<br />
Ti-Mo-Zr-Fe; osteosynteza (stabilizatory),<br />
elementy endoprotez, implanty<br />
dentystyczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metale i ich stopy w medycynie<br />
• Stopy złota; protetyka stomatologiczna<br />
• Srebro; dodatki antybakteryjne<br />
• Tantal; klamry chirurgiczne, druty i folie do<br />
zespalania nerwów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty z tytanu i jego stopów<br />
• Tytan<br />
• Dwie odmiany alotropowe heksagonalna trwała do 820 0 C α regularna<br />
trwała do 1668 0 C β<br />
• Dobra odporność na korozje<br />
• Stopy tytanu Ti – 6Al. – 4V<br />
• Stopy tytanu nowej generacji o niskim module sprężystości to stopy<br />
zawierające<br />
• Molibden, cyrkon, żelazo<br />
• Molibden, cyrkon, glin<br />
• Niob, tantal i pallad<br />
• Niob i cyrkon.<br />
• Wysoka biotolerancja i duża odporność zmęczeniowa, dobra odporność na<br />
ścieranie<br />
• Stopy tytanu z niklem i kobaltem - implanty z pamięcią kształtu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Czym wyróżnia się tytan<br />
wśród innych metali?<br />
Biozgodność, związana z wysoką odpornością na korozję zwłaszcza<br />
wżerowo – szczelinową<br />
Zdolność do samorzutnej i szybkiej repasywacji uszkodzeń<br />
powierzchniowych w środowisku wilgotnym i zawierającym tlen<br />
Dobre właściwości mechaniczne przy stosunkowo niskiej gęstości<br />
Wyższa od stali elastyczność (dwukrotnie niższy moduł<br />
sprężystości)<br />
Zdolność warstw tlenkowych na tytanie do stymulacji procesów<br />
osteointegracji<br />
Możliwość diagnozowania i rehabilitacji pacjentów za pomocą<br />
rezonansowych technik diagnostyczno-terapeutycznych<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Parametry mechaniczne tkanki kostnej i metali<br />
- porównanie<br />
Implanty z metali i ich stopów właściwości<br />
mechaniczne;<br />
• Wytrzymałość na rozciąganie; 400 - 900 MPa<br />
• Moduł sprężystości; 60 -150 GPa<br />
Kość zbita<br />
• Wytrzymałość na rozciąganie; 80 - 100MPa<br />
• Moduł sprężystości; 15 - 20 GPa<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Wielkość cyklicznych naprężeń a<br />
metabolizm tkanki kostnej<br />
• Cykliczne naprężenia o fizjologicznej wielkości –<br />
prawidłowy przepływ substancji odżywczych –<br />
równowaga w procesach budowy i zaniku kości<br />
• Cykliczne naprężenia większe od fizjologicznej wielkości<br />
– nadmierna stymulacja w procesach tworzenia kości<br />
(nowotworzona tkanka przywraca fizjologiczny poziom<br />
naprężeń)<br />
• Cykliczne naprężenia niższe od fizjologicznychuruchomienie<br />
czynników kościogubnych, obniżony<br />
transport substancji odżywczych – zanik kości<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty metaliczne - osteoliza<br />
• Brak biozgodności parametrów mechanicznych,<br />
tkanki kostnej i implantu może powodować zmiany w<br />
wielkościach obciążeń docierających do tkanek.<br />
• Materiał o wyższej sztywności przenosi większe<br />
obciążenia<br />
• Następstwem braku kompatybilności parametrów<br />
fizycznych implantu i tkanki kostnej może być<br />
osteoliza<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Chemiczne właściwości implantów metalicznych<br />
degradacja chemiczna w środowisku tkanek - korozja<br />
Metale ulegają w środowisku biologicznym korozji<br />
jony metali, produkty degradacji dostają się do<br />
tkanek<br />
Rodzaje korozji metali w środowisku<br />
biologicznym;<br />
• Wżerowa<br />
• Naprężeniowa<br />
• Szczelinowa<br />
• Zmęczeniowa<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Korozja implantów<br />
• Czynniki wpływające na tworzenie się ogniw<br />
(korozyjne, stężeniowe) w obszarze implantu;<br />
• Niejednorodność chemiczna stopu<br />
• Złożone kształty implantów<br />
• Nieciągłości warstwy pasywacyjnej<br />
• Szczeliny i rysy na powierzchni implantów<br />
• Naprężenia cykliczne<br />
• Właściwości środowiska biologicznego (płyny<br />
ustrojowe, bioprądy)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zależno Zale ność ść pomiędzy pomi dzy szybkości szybko cią korozji<br />
a potencjałem potencja em anodowym metali i stopów stop<br />
Biomateriały Jan Marciniak, Wyd..P..Ś Gliwice 2002<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biologiczne właściwości metali<br />
• Podstawowe pierwiastki biologiczne; węgiel, wodór, tlen, azot, siarka,<br />
wapń, fosfor, potas, sód, chlor i magnez.<br />
• 15 biopierwiastków śladowych; żelazo, cynk, miedź, mangan, nikiel,<br />
kobalt, molibden, selen, chrom, jod, fluor, cyna, krzem, wanad, arsen<br />
• aluminium, tytan, bor, ołów, rtęć, kadm, srebro, beryl, i złoto – nie<br />
biorą udziału w reakcjach metabolicznych<br />
Pierwiastki bio pobudzają lub hamują czynność białek enzymów<br />
Stężenia biopierwiastków w tkankach posiadają ściśle określone zakresy<br />
ilości. Wg. Prawa Bertranda ..od stężenia pierwiastków bio zależy ich<br />
oddziaływanie z żywym organizmem;<br />
niedobór, zakres prawidłowy , toksyczny<br />
Stężenie biopierwiastka<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Prawo Bertranda<br />
- oddziaływanie stężenia pierwiastków śladowych<br />
na reakcje procesów życiowych<br />
Biomateriały Jan Marciniak, Wyd..P..Ś Gliwice 2002<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Opór polaryzacyjny (ohm/cm 2)<br />
ODPORNOŚĆ KOROZYJNA W ZALEŻNOŚCI OD REAKCJI TKANEK<br />
NA MATERIAŁY METALICZNE<br />
Toksyczne<br />
Obojętne Witalne<br />
ODDZIAŁYWANIE NA TKANKI<br />
Biomateriały, Jan Marciniak, Wyd..P..Ś Gliwice 2002<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Biologiczne właściwości implantów<br />
metalicznych<br />
• Nadmiar żelaza gromadzący się w tkankach utrudnia dyfuzje<br />
enzymów przez błony może niszczyć lizosomy w komórkach,<br />
miażdżyca, marskość wątroby, uszkodzenia DNA<br />
• Nadmiar chromu; uszkodzenie wątroby, nerek, guzy płuc.<br />
• Nadmiar niklu; kancerogenne działanie na tkanki<br />
• Nadmiar kobaltu; alergie<br />
• Nadmiar aluminium; uszkodzenie komórek nerwowych, drogi<br />
oddechowe, kości, naczynia.<br />
Korozja prowadzi do zmian patologicznych w organizmie,<br />
spowodowanych przez zmianę składu chemicznego tkanek.<br />
Metaloza – toksyczne działanie implantu na tkanki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Degradacja metalicznych implantów w środowisku<br />
biologicznym<br />
Przyczyny nie związane z korozją<br />
• Zużycie użytkowe; trybologiczne<br />
• Zużycie mechaniczne, przeciążeniowe,<br />
przedoperacyjne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Stopy z pamięcią kształtu<br />
• Stopy z pamięcią kształtu to materiały które<br />
zapamiętują swoje kształty i po zdeformowaniu,<br />
na skutek działania temperatury wracają do nich<br />
ponownie<br />
• Odmiana martenzytyczna - kształt 1, przechodzi<br />
w odmianę austenityczną pod wpływem<br />
temperatury – kształt 2.<br />
• Przemiana martenzytu w austenit – przemiana<br />
termosprężysta, bezdyfuzyjna, siłą napędową<br />
przemiany – naprężenia termosprężyste<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Stopy z pamięcią kształtu<br />
• Trwale zdeformowany materiał po podgrzaniu<br />
odzyskuje swój pierwotny kształt (odkształcenia<br />
5- 10%) – stopy z pamięcią kształtu<br />
• Materiały pseudosprężyste to takie, które na<br />
skutek przekroczenia naprężenia krytycznego<br />
ulęgają odkształceniu i po odjęciu tego<br />
odkształcenia wracają do wymiaru wyjściowego<br />
– cykl obciążenie odciążenie przebiega po pętli<br />
histerezy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Pamięć kształtu<br />
Spontaniczna zmiana kształtu obserwowana podczas chłodzenia i ogrzewania<br />
bez udziału naprężeń zewnętrznych.<br />
Pamięć kształtu wysokotemperaturowej fazy macierzystej i niskotemperaturowej<br />
fazy martenzytycznej (odwracalny przebieg zmian w zakresie temperatur M f i A f )<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Główne problemy dotyczące implantów<br />
metalicznych<br />
• Brak podobieństwa właściwości fizycznych<br />
implant /tkanka (osteoliza)<br />
• Korozja implantów w środowisku<br />
biologicznym (metaloza, alergie)<br />
• Zużycie cierne –produkty degradacji;<br />
osteoliza - obluzowania implantów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zalety implantów metalicznych<br />
• Przetwórstwo, koszty, dostępność.<br />
• Wiedza w zakresie oddziaływań z żywym<br />
organizmem poparta wieloletnim<br />
doświadczeniem<br />
• Stopy z pamięcią kształtu<br />
• Nowoczesne warstwy antykorozyjne<br />
• Stopy pozwalające na stosowanie<br />
nowoczesnych narzędzi diagnostycznych.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Przykłady implantów znaleźć można poniżej wymienionych stronach;<br />
• http://www.mikromed.pl/katalog/ao_pl/wkrety.htm<br />
• www.medgal.com<br />
• www.stryker.pl<br />
• http://www.aofoundation.org/portal/wps/portal/<br />
• http://www.acumed.net/product-detail.php?productID=6<br />
Literatura<br />
• Biomateriały, Jan Marciniak Wydawnictwo politechniki Śląskiej Gliwice 2002.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Pytania wykład 4;<br />
• Zastosowania metali i ich stopów w medycynie.<br />
• Implanty do osteosyntezy kości – stabilizatory<br />
wewnętrzne i zewnętrzne.<br />
• Charakterystyka implantów, wytwarzanych z tytanu i<br />
jego stopów.<br />
• Wpływ wielkości obciążeń na metabolizm tkanki kostnej.<br />
• Stopy z pamięcią kształtu – charakterystyka zjawiska,<br />
praktyczne zastosowania.<br />
• Biologiczne właściwości metali, szereg biotolerancji.<br />
• Korozja wszczepów metalicznych w środowisku<br />
biologicznym.<br />
• Wady i zalety biomateriałów, wykonanych z metali i ich<br />
stopów.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery jako biomateriały<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
otrzymane z<br />
naturalnych<br />
źródeł<br />
Biomateriały polimerowe<br />
Naturalne* Sztuczne<br />
(Biopolimery)<br />
wytwarzane w złożonym<br />
procesie technologicznym z<br />
surowców organicznych lub<br />
nieorganicznych<br />
*wiele polimerów identycznych do naturalnych, można<br />
także otrzymać na drodze syntezy chemicznej.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Niedegradowalne<br />
biostabilne<br />
Sztuczne<br />
Degradowalne<br />
resorbowalne<br />
Oba rodzaje polimerów ulegają degradacji w środowisku biologicznym, jednakże<br />
w przypadku polimerów niedegradowalnych proces ten nie jest pożądany a produkty<br />
degradacji są zazwyczaj toksyczne, natomiast polimery degradowalne ulegają<br />
całkowitemu zanikowi a produkty degradacji są biozgodne. Resorbcja polimerów<br />
degradowalnych jest zjawiskiem bardzo pożądanym i sprawia że materiały te są<br />
bardzo atrakcyjne dla zastosowań medycznych.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechaniczne parametry materiałów i tkanek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery w medycynie - zastosowania<br />
• Ortopedia; elementy endoprotez, cementy kostne, materiały do<br />
uzupełnienia ubytków kości, więzadła i ścięgna<br />
• Kardiochirurgia; protezy naczyń, elementy zastawek serca,<br />
elementy sztucznego serca, membrany obudowy pomp serca<br />
• Okulistyka; soczewki kontaktowe i wewnątrz- gałkowe implanty<br />
rogówki<br />
• Implanty stomatologiczne, laryngologiczne, nici chirurgiczne, kleje<br />
tkankowe, materiały dla inżynierii tkankowej i medycyny<br />
regeneracyjnej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery<br />
Etylen<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Polietylen<br />
¦���<br />
����
• Łańcuchowe<br />
• Rozgałęzione<br />
• Sieciowane<br />
• Sieciowane 3D<br />
Polimery<br />
• Masa cząsteczkowa<br />
• Stopień krystaliczności<br />
• Temperatura zeszklenia<br />
• Punkt mięknięcia<br />
• Właściwości zależne od<br />
temperatury<br />
• Mechanizm niszczenia;<br />
kruche lub ciągliwy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery<br />
• T g Temperatura zeszklenia – temperatura w której zachodzi<br />
przemiana stanu sprężystego kruchego w stan wysokoplastyczny<br />
• T m Temperatura płynięcia – temperatura w której zachodzi<br />
przemiana stanu wysokoplastycznego w plastyczny<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Masa cząsteczkowa polimeru – współczynnik dyspersji<br />
• Poszczególne jednostki polimeru mają różne ilości monomerów<br />
• Współczynnik dyspersji zależy od sposobu otrzymywania polimeru<br />
• Współczynnik dyspersji wpływa na właściwości polimeru<br />
wytrzymałość<br />
Masa cząsteczkowa<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Krystaliczny semikrystaliczny amorficzny<br />
Polimery mogą się składać z fazy<br />
amorficznej i krystalicznej. Faza<br />
krystaliczna jest sztywna i ma wyższy<br />
moduł sprężystości od fazy amorficznej.<br />
Zwiększając udział fazy krystalicznej<br />
zwiększamy moduł sprężystości<br />
materiału.<br />
Moduł E<br />
T g T m<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kopolimery i Homopolimery<br />
• Homopolimer – te same jednostki<br />
strukturalne (mery), np. PE, PTFE, PMMA<br />
• Kopolimery –zawierają dwa lub więcej<br />
rodzajów merów w łańcuchu, np. PAN<br />
• Rodzaje kopolimerów<br />
nieregularny<br />
regularny<br />
blokowy<br />
szczepiony<br />
A A B B A B A A A B B A B A B A A B B A B A B B<br />
A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B<br />
B B B B B A A A A A B B B B B A A A A A B B B B<br />
A A A A A A A A A A A A<br />
B B B<br />
B B B<br />
B B B<br />
B B<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery w medycynie<br />
+<br />
• Łatwe w produkcji<br />
• Duże możliwości sterowania<br />
właściwościami<br />
• Duże możliwości w zakresie<br />
modyfikacji powierzchni<br />
• Polimery resorbowalne<br />
• Parametry fizyczne zbliżone do<br />
parametrów tkanek<br />
• Otrzymywane w postaci włókien<br />
włóknin, porowatych gąbek,<br />
membran, siatek, plecionek<br />
• Poręczne chirurgiczne<br />
-<br />
• Trudne do sterylizacji<br />
• Nieodporne na działanie<br />
temperatury – zmiana parametrów<br />
fizycznych wraz z temperatura<br />
• Toksyczne produkty degradacji<br />
(polimery trwałe,<br />
niedegradowalne)<br />
• Zużycie cierne<br />
• Niskie parametry mechaniczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery niedegradowalne<br />
• Polimery charakteryzujące się wysoką odpornością na działanie środowiska<br />
biologicznego<br />
• Żaden z tych polimerów nie jest całkowicie odporny na działanie środowiska<br />
biologicznego<br />
• Najczęściej stosowanymi w medycynie polimerami niedegradowalnymi są;<br />
• polietylen - PE,<br />
• polipropylen- PP,<br />
• politetrafluoroetylen -PTFE,<br />
• poliamidy,<br />
• poliuretany - PU,<br />
• poliwęglany- PC,<br />
• silikony,<br />
• polimery akrylowe.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery degradowalne (resorbowalne)<br />
Poliglikold<br />
Polilaktyd<br />
Koplimer<br />
Laktyd/glkolid<br />
Polidioksan<br />
Polikaprolakton<br />
Polimery w całości zastępowane przez tkanki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polietylen<br />
• Dostępny w postaci nisko, wysoko i ultra<br />
wysokiej masie cząsteczkowej<br />
• Faza krystaliczna ok. 50%<br />
• Odporny na działanie środowiska<br />
biologicznego<br />
• Wysoka odporność na ścieranie<br />
• Posiada parametry mechaniczne znacznie<br />
wyższe w porównaniu z innymi polimerami<br />
medyczny<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Materiał<br />
Moduł<br />
sprężystości<br />
(GPa)<br />
Wytrzymałość<br />
na rozciąganie<br />
(MPa)<br />
Stal medyczna 190 480<br />
CoCrMo 200 650<br />
Ti6Al4V 110 860<br />
UHMWPE 4 - 15 20 - 35<br />
Kość zbita 10-20 100-200<br />
Kość gąbczasta 0.2-0.5<br />
10-20<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zastosowanie polietylenu wysokocząsteczkowego – UHMWPE, w ortopedii<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
www.zimmer.com<br />
Typy endoprotez;<br />
Kondylarna<br />
Półzwiązana<br />
Zawiasowa<br />
Problemy;<br />
Produkty tarcia<br />
Sposób fiksacji<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Połowicza proteza stawu kolanowego<br />
Problemy;<br />
Współczynnik tarcia – zużycie cierne<br />
Parametry mechaniczne – optymalny transfer naprężeń<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polietylen MEDPOR – porowaty materiał wykorzystywany<br />
w chirurgii twarzo-czaszki<br />
Porowatość otwarta ok.. 50%<br />
Wielkość porów 100- 200um<br />
Kość wrasta do wnętrza implantu<br />
Materiał przycinany i formowany<br />
przed zabiegiem chirurgicznym<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery akrylowe<br />
polimetakrylan metylu PMMA<br />
• Twarde, przeźroczyste<br />
• Amorficzne<br />
• Odporne chemicznie<br />
• Biozgodne<br />
• Wytrzymałe<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Cement kostny PMMA<br />
• Dwa składniki; proszek PMMA i ciekły<br />
monomer, 2 : 1<br />
• Inicjator polimeryzacji<br />
• Czas wiązania 10 minut<br />
• Siarczan baru – wizualizacja<br />
• Antybiotyk<br />
• Sterylizowany promieniowaniem<br />
radiacyjnym<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Cement kostny PMMA<br />
• PMMA – cement<br />
Problemy;<br />
• Wytrzymałość/porowatość<br />
• Niska adhezja zaprawy<br />
• Reakcja egzotermiczna<br />
• Obecność monomerów<br />
• Skurcz polimeryzacji<br />
• Reakcje alergiczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
PMMA - zastosowania<br />
• Stomatologia<br />
• Okulistyka – np. implanty soczewek<br />
wewnątrzgałkowych<br />
• Ortopedia i chirurgia kostna<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Politetrafluoroetylen PTFE<br />
• Zbudowany z powtarzających się jednostek CF 2<br />
• Bardzo wysoka odporność chemiczna<br />
• Biozgodny<br />
• Niski współczynnik tarcia<br />
• Krystaliczny<br />
• Wysokie parametry mechaniczne<br />
• Ortopedia, chirurgia kostna (protezy więzadeł),<br />
kardiochirurgia (protezy naczyń krwionośnych)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Poliuretan<br />
• Polimer blokowy zbudowany z jednostek giętkich<br />
(poliole) i sztywnych (diizocjaniany, diole, diaminy)<br />
grupujących się w domeny<br />
• Łańcuch zbudowane z dwóch typów segmentów<br />
połączone są pomiędzy sobą wiązaniami wodorowymi<br />
• Niska temperatura zeszklenia, wysokie wydłużenie –<br />
segmenty giętkie<br />
• Wysoki moduł sprężystości, wytrzymałość – segmenty<br />
sztywne<br />
• Polimery bezpostaciowe<br />
• Zastosowania – kardiochirurgia (np. protezy naczyń,<br />
cewniki) ortopedia, chirurgia kostna.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery bioresorbowalne w medycynie<br />
Nici chirurgiczne<br />
resorbowalne<br />
(wchłanialne)<br />
Zastosowanie<br />
Nici<br />
chirurgiczne<br />
Nazwa<br />
rynkowa<br />
Dexon<br />
Vicryl<br />
Monocryl<br />
Polysorb<br />
PGA Suture<br />
Sysorb<br />
Endofix<br />
Arthrex<br />
Skład<br />
PGA<br />
PGA-PLLA<br />
PGA-PCL<br />
PGA-PLLA<br />
PGA<br />
PDLLA<br />
PGA-PLLA<br />
PLLA<br />
Producent<br />
Davis and<br />
Geck<br />
Ethicon<br />
Ethicon<br />
U. S. Surgical<br />
Luckens<br />
Synos<br />
Acufex<br />
Arthrex<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery resorbowalne w medycynie<br />
Bioscrew SmartNail-96L_4D-PLAImplant SmartScrewACL<br />
Zastosowanie<br />
Śruby<br />
interferencyjne<br />
Nazwa rynkowa<br />
Bioscrew<br />
Phusiline<br />
Biologically<br />
Quiet<br />
Skład<br />
PLLA<br />
PLLA-PDLLA<br />
PGA-PDLLA<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Producent<br />
Linvatec,<br />
Phusis<br />
Instrument<br />
Makar<br />
¦���<br />
����
Polimery resorbowalne w medycynie<br />
Resorbowalne<br />
śruby i płytki<br />
dla chirurgii<br />
twarzowo-szczękowej<br />
SmartNail-96L_4D-PLAImplant<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery resorbowalne w medycynie<br />
Stenty do plastyki<br />
naczyniowej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery resorbowalne dla chirurgii i ortopedii<br />
(PLLA) (PGLA)<br />
Resorbowalne śruby i płytki<br />
dla chirurgii twarzowo-szczękowej<br />
(zaprojektowane i wytworzone Katedrze Biomateriałów)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery resorbowalne dla inżynierii tkankowej<br />
600 µm 200 µm<br />
40 µm<br />
Mikrostruktura podłoży z<br />
PGLA (mikroskop<br />
skaningowy, pow. 50x)<br />
(zaprojektowane i wytworzone Katedrze Biomateriałów)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Czynniki wpływające na degradację polimerów<br />
1. Krystaliczność<br />
2. Masa cząsteczkowa i jej rozkład (polidyspersja)<br />
3. Właściwości hydrofilowe / hydrofobowe<br />
4. Obecność składników o niskiej masie cząsteczkowej (oligomery,<br />
monomery, rozpuszczalniki, inicjatory, lekarstwa)<br />
5. Proces sterylizacji<br />
6. Miejsce implantacji<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaje czynników powodujących rozpad implantu w środowisku<br />
biologicznym<br />
• Czynniki biologiczne – enzymy, lipidy, makrofagi, komórki olbrzymie<br />
około ciała obcego – biodegradacja<br />
(Biodegradacja - proces zachodzący w środowisku biologicznym najczęściej<br />
związany z reakcjami biochemicznymi, katalizowanymi przez enzymy.<br />
Enzymy (białka wytwarzane przez organizm człowieka, zwierząt wyższych, niektóre<br />
bakterie, grzyby, oraz algi) klasyfikowane są zależnie od rodzaju reakcji, którą<br />
katalizują: hydralaza - reakcje hydrolizy,<br />
esteraza - reakcje estryfikacji,<br />
ligaza - reakcje kondensacji).<br />
• Czynniki niebiologiczne – woda, elektrolity, aktywne postacie tlenu,<br />
wolne rodniki – degradacja<br />
• Produkty biodegradacji i degradacji polimerów w żywym organizmie<br />
- mery, oligomery, związki niskocząsteczkowe pozostałości<br />
katalizatorów, rozpuszczalników, pozostałości sterylizacyjne.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Degradacja polimerów<br />
• Chemiczna degradacja następuje w wyniku<br />
hydrolizy lub reakcji enzymatycznej co powoduje<br />
fizyczna erozje polimeru<br />
• Wyróżnia się degradacje;<br />
• 1. powierzchniową (heterogeniczną)<br />
• 2. objętościową (homogeniczną)<br />
• Szybkość dyfuzji oraz szybkość hydrolizy<br />
decyduje o mechanizmie degradacji.<br />
• Biodegradacja i degradacja polimerów w<br />
środowisku biologicznym.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechanizmy degradacji polimerów<br />
Degradacja w masie (objętościowa)<br />
• Adsorpcja cieczy na powierzchni, dyfuzja do<br />
wnętrza – zrywanie wiązań wodorowych i Van<br />
der Walsa<br />
• Zrywanie wiązań kowalencyjnych w łańcuchu<br />
polimeru –spadek masy cząsteczkowej polimeru<br />
• Dyfuzja produktów degradacji na powierzchnię<br />
polimeru – fagocytoza cząstek, reakcja z<br />
enzymami małocząsteczkowych produktów<br />
degradacji.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechanizmy degradacji polimerów<br />
Degradacja na powierzchni<br />
• Adsorpcja cieczy na powierzchni<br />
• Reakcja z niestabilnymi wiązaniami<br />
kowalencyjnymi<br />
• Produkty degradacji na powierzchni<br />
polimeru - fagocytoza<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechanizm degradacji i bioresorpcji poliestrów alifatycznych<br />
Reakcja hydrolizy – rozrywanie łańcuchów<br />
poliestrowych, wydzielanie kwasów<br />
Poliglikolid (polikwas glikolowy) – PGA<br />
- [ - O - CH2 – CO - ] n - + n H2O � n HO-CH2-COOH kwas glikolowy<br />
Polilaktyd (polikwas mlekowy) - PLA<br />
O<br />
- [ - O - CH - C - ] n - + n H2O � n HO–CH(CH3 )-COOH<br />
CH3 kwas mlekowy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Hydroliza > dyfuzja<br />
Czas erozji<br />
Dyfuzja> Hydroliza<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechanizm degradacji i resorpcji poliestrów alifatycznych<br />
Zjawisko autokatalitycznej hydrolizy poliestrów:<br />
-oligomery zakończone grupą karboksylową, powstałe w wyniku<br />
reakcji hydrolizy wewnątrz próbki, pozostają w niej uwięzione<br />
-powodują one przyspieszenie procesu rozrywania łańcuchów<br />
poliestrowych<br />
-oligomery z warstw przypowierzchniowych są bez problemu<br />
wymywane przed całkowitą degradacją<br />
-w wyniku różnicy koncentracji grup kwasowych tworzy się<br />
zewnętrzna powłoka, która jest mniej zdegradowana niż<br />
wnętrze materiału.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Mechanizm degradacji i bioresorpcji poliestrów alifatycznych<br />
Eliminacja kwasu glikolowego, mlekowego i hydroksyheksanowego w<br />
cyklu Krebsa<br />
Kwasy: glikolowy, mlekowy są nietoksyczne; występują w cyklach wielu<br />
przemian metabolicznych, zachodzących w organizmie człowieka.<br />
Kwasy są eliminowane w cyklu przemian Krebsa (kwasu cytrynowego,<br />
kwasu trójkarboksylowego).<br />
Kołowy, wieloetapowy ciąg reakcji enzymatycznych w mitochondriach, który<br />
stanowi podstawę oddychania komórkowego i dostarcza energii w postaci<br />
kwasu adenozynotrójfosforowego (ATP) i substancji dla dalszych przemian<br />
metabolicznych (np. białek, kwasów tłuszczowych). W wyniku tego procesu<br />
wydzielają się: energia, CO 2 i H 2 O<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Pytania wykład 5:<br />
• Zastosowania polimerów w medycynie.<br />
• Polimery stabilne, niedegradowalne i polimery<br />
degradowalne.<br />
• Jakie parametry budowy polimerów wpływają na<br />
ich właściwości, istotne z punktu widzenia<br />
zastosowań w medycynie.<br />
• Degradacja polimerów w medycynie.<br />
• Rodzaje i zastosowania polimerów<br />
resorbowalnych w medycynie.<br />
• Polimery w chirurgii kostnej i ortopedii.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery jako biomateriały<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery w medycynie cz. 2<br />
• Polimery pochodzenia naturalnego –<br />
biopolimery<br />
• Włókna polimerowe w zastosowaniach<br />
medycznych<br />
• Hydrożele w medycynie<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polimery pochodzenia naturalnego<br />
Biopolimery<br />
Białka Polisacharydy<br />
(wielocukry)<br />
Kolagen Kwas hialuronowy<br />
Soja Kwas alginowy i alginiany<br />
Chityna i chitozan<br />
Celuloza<br />
Właściwości:<br />
Budują naturalną substancję międzykomórkową (ECM) (<br />
Pochodzenia obcogatunkowego<br />
Utrudnione przetwórstwo<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kolagen<br />
Białko fibrylarne - prawoskrętna spirala (helisa), zbudowana z trzech<br />
lewoskrętnych łańcuchów polipeptydowych<br />
Skład aminokwasów: 35% Gly, 11% Ala, 21% a<br />
także Pro (hydroxyprolina), Lys (hydroksylizyna) i<br />
inne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kolagen - właściwości<br />
-Kolagen jest polimerem bioresorbowalnym, nierozpuszczalnym<br />
w wodzie.<br />
Ulega denaturacji pod działaniem podwyższonych temperatur,<br />
detergentów, roztworów soli, rozpuszczalników<br />
organicznych, ultradźwięków, stężonych kwasów i zasad.<br />
Umożliwia to uzyskania materiału o pożądanej masie<br />
cząsteczkowej, rozpuszczalnego w wodzie lub innych<br />
rozpuszczalnikach organicznych.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kolagen – zastosowanie w medycynie<br />
nici chirurgiczne<br />
kleje tkankowe<br />
porowate struktury dla inżynierii<br />
tkankowej i medycyny<br />
regeneracyjnej<br />
wypełniacze ubytków kostnych i<br />
ubytków tkanki miękkiej dla<br />
celów kosmetycznych<br />
Catgut<br />
Catgut chromowany<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Są to cykliczno-liniowe polietery powstałe w wyniku reakcji<br />
kondensacji cząsteczek cukrów prostych z odszczepieniem<br />
wody. Łańcuchy polisacharydów składają się z wielu<br />
jednostek monosacharydów połączonych wiązaniami<br />
H glikozydowymi.<br />
HO HO<br />
HO<br />
A CHOH<br />
CHOH<br />
O<br />
B<br />
CHOH<br />
CHOH<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
2<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
A.α-D-glukoza B. β-D-glukoza<br />
(α-D-glukopyranoza) (β-D-glukopyranoza)<br />
izomeryczne cykliczne formy glukozy<br />
HO HO<br />
HO<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
2<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
OH<br />
OH<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
2<br />
Celuloza<br />
H<br />
H<br />
-jest zbudowana tylko<br />
HO<br />
HO<br />
z jednego rodzaju monosacharydu, H<br />
α-D-glukozy:<br />
- łańcuchy celulozy są zgrupowane w wiązki i<br />
związane ze sobą wiązaniami wodorowymi<br />
utworzonymi między sąsiednimi grupami<br />
hydroksylowymi.<br />
- silne wiązania międzycząsteczkowe a także<br />
regularna struktura łańcucha powodują, że<br />
celuloza ma:<br />
- bardzo wysoki stopień krystaliczności,<br />
- temperaturę topnienia przewyższającą<br />
temperaturę rozkładu<br />
- bardzo niewielką rozpuszczalność.<br />
Zastosowanie w medycynie:<br />
Membrany do dializy - Kuprophan<br />
O<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
O<br />
HO OH OH<br />
OH<br />
H<br />
O<br />
HO HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
OH OH<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
O<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
H<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
H<br />
O<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Alginiany<br />
- to biodegradowalne polisacharydy otrzymywany przemysłowo z<br />
brązowych alg morskich<br />
- kwas alginowy jest liniowym blokowym kopolimerem kwasu β-Dmanuronowego<br />
(M) i α-L-guluronowego (G) połączonych wiązaniami<br />
glikozydowymi;<br />
- poszczególne łańcuchy polimeru mogą zawierać segmenty typu MM,<br />
GG, oraz MG i są powiązane ze sobą wiązaniami wodorowymi.<br />
M G<br />
M G<br />
Struktura M-G-M-G kwasu alginowego<br />
Alginiany mają zdolność tworzenia trwałych żeli w wyniku reakcji z solami wapnia.<br />
Żelowanie alginianów to wynik grupowania się segmentów kwasu poliguluronowego w agregaty,<br />
w których jony wapnia są rozmieszczone w przestrzeniach między-łańcuchowych<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Alginiany<br />
Właściwości<br />
Alginian sodu - rozpuszczalny w wodzie, alginian wapnia -<br />
nierozpuszczalny w wodzie. Przez dobór odpowiednich proporcji między<br />
alginianem sodu i wapnia można kontrolować ich rozpuszczalność i<br />
degradację in vivo.<br />
Zastosowanie w medycynie<br />
- materiały opatrunkowe w postaci włóknin, tkanin, dzianin<br />
nie przylegają do ran z wysiękiem,<br />
absorbują wysięk, utrzymują wilgoć<br />
i przyśpieszają gojenie ran skóry<br />
(właściwości hydrofilowe),<br />
- nośniki do kontrolowanego uwalniania leków<br />
- materiały podłożowe w inżynierii tkankowej<br />
- bioenkapsulacja komórek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Chityna<br />
Struktura chityny przypomina celulozę z tym wyjątkiem, że grupy<br />
hydroksylowe w pozycji 2 zostały zastąpione przez grupy acetyloaminowe.<br />
O<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
H<br />
2<br />
H<br />
NH<br />
NH<br />
O<br />
COCH COCH3<br />
O<br />
CH CH2 OH<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
O<br />
HO HO<br />
OH OH<br />
OH<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
O<br />
HO HO<br />
HO<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
H<br />
2<br />
OH<br />
OH<br />
O<br />
COCH COCH3<br />
H<br />
NH<br />
NH<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
O<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
O<br />
OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
H<br />
H<br />
O<br />
O<br />
NH<br />
NH<br />
H<br />
COCH<br />
COCH<br />
COCH 3<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
chityna<br />
O<br />
celuloza<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Chitozan<br />
- jest pochodną chityny otrzymywaną przez jej deacetylację (hydrolizę grup<br />
N-acetyloaminowych),<br />
-jednostką podstawową łańcucha polimeru jest β (1-4) 2-amino-2-deoksy-Dglukoza<br />
(lub D-glukozamina).<br />
- w większości przypadków deacetylacja obejmuje około 80% grup Nacetyloaminowych,<br />
pozostałe 20% nie ulegają zmianie.<br />
O<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
O<br />
H<br />
H<br />
2<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
O<br />
NH NH2<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
H<br />
2<br />
H<br />
O<br />
H<br />
NH<br />
NH<br />
H<br />
COCH<br />
COCH<br />
COCH 3<br />
O<br />
O<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
HO HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
H<br />
CH CH OH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
2<br />
O<br />
NH NH2<br />
H<br />
COCH COCH3<br />
NH<br />
NH<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
O<br />
H<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
HO<br />
HO<br />
H<br />
O<br />
H<br />
NH<br />
NH<br />
H<br />
COCH<br />
COCH<br />
COCH 3<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
2<br />
H<br />
O<br />
H<br />
O<br />
NH NH2<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
H<br />
O<br />
chityna<br />
chitozan<br />
¦���<br />
����
kraby<br />
Źródła chityny/chitozanu<br />
HO<br />
CH2OH<br />
O<br />
HO<br />
O<br />
NH-C-CH3<br />
O<br />
NH 2<br />
O<br />
CH2OH<br />
O<br />
HO<br />
1. Adheruje do ujemnie naładowanych powierzchni<br />
2. Łatwo poddaje się modyfikacji powierzchniowej<br />
3. Posiada zdolność tworzenia żeli<br />
CH2OH<br />
O<br />
NH2<br />
O<br />
x<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
krewetki<br />
• nierozpuszczalny w wodzie<br />
• niektóre rodzaje tych polimerów rozpuszczają się w 1% wodnym roztworze<br />
kwasu octowego, co wykorzystano do ich przetwarzania, np. na włókna,<br />
• polimery biodegradowalne.<br />
¦���<br />
����
Właściwości biologiczne chityny i<br />
chitozanu<br />
• Degraduje do normalnych metabolitów<br />
• Nietoksyczny<br />
• Posiada właściwości;<br />
• 1. hemostatyczne<br />
• 2. bakteriostatyczne<br />
• 3. antynowotworowe<br />
• 4. antygrzybicze<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Chityna / Chitozan<br />
Zastosowanie w medycynie:<br />
�gąbki do tamowania krwi<br />
�protezy naczyniowe<br />
�membrany do plazmaforezy<br />
�folie do pokrywania ran powstałych w wyniku oparzeń skóry<br />
�sztuczna skóra<br />
�pokrycia soczewek kontaktowych<br />
�struktury porowate w inżynierii tkankowej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ograniczenia w wykorzystaniu chityny i<br />
chitozanu w medycynie<br />
1. Wysokie koszty przetwórstwa –<br />
wysokie koszty materiału<br />
2. Brak stałych źródeł materiału o<br />
powtarzalnych właściwościach<br />
3. Wysoka cena powodująca niski<br />
rynek nie pokrywający kosztów<br />
otrzymywania materiału<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Polisacharydy (wielocukry)<br />
Kwas hialuronowy<br />
- liniowy, nie rozgałęziony polisacharyd z grupy proteoglikanów,<br />
- zbudowany z dwusacharydu kwasu D-glukoronowego i N-acetylo<br />
glukozaminy, powiązanych przemiennie wiązaniami glikozydowymi AB<br />
COO<br />
COO<br />
OH<br />
OH<br />
CH CH OH<br />
OH<br />
O<br />
O<br />
H H<br />
H<br />
H<br />
O O<br />
O<br />
OH<br />
OH H<br />
H<br />
H HO<br />
HO<br />
H<br />
H<br />
-<br />
Struktura kwasu hialuronowego<br />
(A. Kwas D-glukoronowy; B. N-acetyloglukozamina)<br />
- jest składnikiem matrycy zewnątrzkomórkowej tkanki łącznej,<br />
-występuje w cieczach szklistej i wodnistej oka, płynie maziowym, skórze i<br />
pępowinie<br />
-posiada unikalne własności wiązania i zatrzymywania wody, co wynika ze<br />
zdolności tworzenia wiązań wodorowych między grupami karboksylowymi i<br />
N-acetylowymi kwasu hialuronowego a cząsteczkami wody<br />
H<br />
A B<br />
2<br />
NHCOCH NHCOCH3<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Włókna w tkankach<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty polimerowe<br />
włókniste<br />
Włókna w medycynie’<br />
Włókna<br />
Plecionki<br />
Tkaniny<br />
Włókniny<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Włókniste implanty<br />
Implant rogówki<br />
Tkaniny dla kardiochirurgii<br />
Implant łąkotki<br />
Siatki powięziowe<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implanty włókniste; plecionki siatki, włókniny,<br />
tkaniny<br />
Polipropylen, poliuretan,<br />
poliestry<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Elektrospinning - zalety metody<br />
Otrzymywanie włókien o małych średnicach (nanowłókna)<br />
Włókna o dużym rozwinięciu powierzchni<br />
Włókna o wysokiej wytrzymałości<br />
Elektrospining – parametry metody decydujące o właściwościach<br />
włókien;<br />
Masa cząsteczkowa polimeru, współczynnik dyspersji, struktura<br />
Właściwości roztworu (lepkość, przewodnictwo)<br />
Gradient pola elektrycznego<br />
Temperatura, wilgotność, szybkość przepływu powietrza<br />
Szybkość ruchu podłoża<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Hydrożele<br />
• Hydrożel to usieciowany, hydrofilowy polimer, który<br />
posiada zdolność do absorbcji dużych ilości wody,<br />
pęcznienia i tworzenia struktur 3D.<br />
• Hydrożele posiadają zdolność<br />
• pochłaniania wody jej wydzielania<br />
• Proces ten sterowany być może<br />
czynnikami zewnętrznymi takim jak;<br />
temperatura, pH, pole magnetyczne,<br />
impulsy elektryczne.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Hydrożele jako biomateriały<br />
• Wchiterle, Lim 1960 – soczewki z 2hydroksyetylometakrylanu<br />
–PHEMA<br />
• Hydrożele – wysoka zawartość wody,<br />
miękkie, elastyczne, zbliżone parametrami<br />
mechanicznymi do tkanek miękkich<br />
• Niskie napięcie powierzchniowe, znikoma<br />
adhezja w środowisku biologicznym<br />
• Wysoka zdolność do dyfuzji z wnętrza i do<br />
wnętrza struktury hydrożelu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Woda w hydrożelu – struktura wody<br />
• Woda podstawowa- uwodnienie<br />
hydrofilowych grup polarnych<br />
• Woda drugorzędowa- rozwijanie<br />
łańcuchów, oddziaływania z grupami<br />
hydrofobowymi<br />
• Wolna woda – wypełnia pory i puste<br />
przestrzenie<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Hydrożele<br />
• Woda w hydrożelu stanowi medium<br />
transportowe dla dyfuzji substancji, a stopień<br />
sieciowania matrycy polimerowej wpływa na<br />
własności ich transportu przez materiał.<br />
• Zmieniając masę cząsteczkową polimeru<br />
pomiędzy wiązaniami poprzecznymi w sieci<br />
hydrożelu można otrzymać materiał będący<br />
rodzajem selektywnego sita molekularnego,<br />
stanowiącego barierę dla dużych cząsteczek np.<br />
immunoglobulin, a umożliwiającego dyfuzję<br />
mniejszych cząsteczek tj. glukoza czy insulina.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaje hydrożeli<br />
-<br />
• Hydrożele stałe (chemiczne) – to takie w<br />
których pomiędzy łańcuchami polimeru<br />
występują wiązania chemiczne i osiągana<br />
jest równowaga w stanie pęcznienia (ilość<br />
wody wprowadzana do wnętrza polimeru<br />
ściśle określona)<br />
• Hydrożele odwracalne (fizyczne) –<br />
wiązania wodorowe pomiędzy łańcuchami<br />
polimeru<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����<br />
¡¢<br />
£¤¥¦§<br />
¨¦¥¦<br />
©��¦<br />
�¥�§<br />
�¤<br />
��¥<br />
©�<br />
©�§�¥�§<br />
��¡<br />
�¤¢��<br />
��<br />
�<br />
��¥<br />
©�<br />
©�§�¥��¡<br />
�¤¢���<br />
�¦<br />
©��¦<br />
�¥��¡<br />
�¤¢���<br />
¤¤§<br />
��¡§<br />
�¡<br />
�¥�<br />
�¡<br />
��¦<br />
¨�¡<br />
�¤¢��� Zastosowania hydrożeli medycynie<br />
Przezskórne<br />
dozowanie leków<br />
Soczewki kontaktowe<br />
Opatrunki
Właściwości hydrożeli istotne dla<br />
zastosowań medycznych<br />
• Współczynnik dyfuzji w obrębie hydrożelu<br />
• Właściwości powierzchniowe, niska<br />
energia powierzchniowa<br />
• Właściwości optyczne (ważne w<br />
soczewkach kontaktowych)<br />
• Właściwości mechaniczne<br />
• Trwałość, odporność na degradacje<br />
• Biozgodność<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Hydrożele jako systemy uwalniania leków<br />
• Lek wprowadzany jest do hydrożelu w procesie<br />
polimeryzacji<br />
• Lek wprowadzany jest wraz z woda w procesie<br />
pęcznienia<br />
• Uwalnianie leku obserwowane jest podczas<br />
pęcznienia hydrożelu lub w trakcie synerezy<br />
• Leki uwalniane są na skutek działania<br />
określonego czynnika (temperatura, pH,<br />
stężenie określonych substancji)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Pytania wykład 6 i 7;<br />
• Polimery pochodzenia naturalnego w<br />
medycynie- rodzaje, właściwości, zastosowania<br />
• Włóknista forma implantów – wykorzystanie<br />
włókien w inżynierii biomateriałów, przykłady<br />
implantów włóknistych.<br />
• Biomimetyczna forma implantów włóknistych.<br />
• Hydrożele- budowa, właściwości, zastosowania<br />
medyczne w okulistyce i transporcie leków.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika jako biomateriał<br />
Wykład 8<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaj<br />
biomateriału<br />
Metale i<br />
stopy<br />
Polimery<br />
Ceramika<br />
Biozgodno<br />
ść<br />
produktów<br />
degradacji<br />
brak<br />
brak<br />
słaba<br />
lub<br />
b. dobra<br />
(resorbowalne)<br />
?<br />
Biozgodność<br />
właściwości<br />
mechanicznych<br />
słaba<br />
dobra<br />
?<br />
Reakcja z<br />
żywym<br />
organizmem<br />
Torebka<br />
łącznotkankowa,<br />
komórki około<br />
ciała obcego<br />
Torebka<br />
łącznotkankowa,<br />
komórki około<br />
ciała obcego<br />
Zastąpienie<br />
implantu przez<br />
tkankę<br />
?<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Zakres<br />
zastosowań<br />
Ortopedia<br />
Kardiochirurgia<br />
stoamatologia<br />
Wszystkie<br />
dziedziny<br />
medycyny<br />
?<br />
¦���<br />
����
Co to jest ceramika?<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika<br />
• Czyli nie metal, nie polimer<br />
• Krystaliczna lub amorficzna<br />
• Stechiometryczna lub niestechiometryczna<br />
• Lita lub porowata<br />
• Odporna chemicznie<br />
• Odporna termicznie<br />
• Twarda<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Parametry mechaniczne ceramiki<br />
• Wysoka granica plastyczności<br />
• Mechanizm niszczenia – tworzywo kruche<br />
• Szczeliny Griffithsa<br />
• Wysoki moduł sprężystości<br />
• Niski moduł Weibula<br />
• Nisk wytrzymałość na rozciąganie<br />
• Niska energia pękania<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioceramika<br />
• Ceramika tlenkowa lita i porowata<br />
• Fosforany<br />
• Bioszkła<br />
Formy implantów ceramicznych;<br />
Kształtki lite i porowate<br />
Granule<br />
Proszki<br />
Warstwy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioceramika<br />
• Ceramika tlenkowa lita – inertna (torebka z<br />
tkanki łącznej, brak wiązania pomiędzy<br />
torebką i materiałem)<br />
• Ceramika tlenkowa porowata –<br />
osteokonduktywna, kość wrastająca w pory<br />
materiału<br />
• Fosforany - bioaktywna, osteoinduktywna<br />
• Bioszkła – bioaktywna, osteoinduktywna<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika tlenkowa- spieki nieporowate<br />
bioinertna ! biozgodna !<br />
Ceramika korundowa – 99.5% Al 2O 3<br />
• Wytrzymałość na:<br />
• Zginanie 150 – 250MPa<br />
• Ściskanie 4000 – 5000 MPa<br />
• Moduł Younga 380 GPa<br />
• Odporność na ścieranie < 0.001 mm 3 /h<br />
• Współczynnik tarcia korund/korund – 0.05<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Al 2 O 3 -charakterystyka<br />
Powierzchnia - zwilżalna /hydrofilowa – kąt<br />
zwilżania
Nieporowata ceramika tlenkowa<br />
w ortopedii<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika korundowa w ortopedii<br />
Mikrostruktura ceramiki korundowej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Osteoliza<br />
(przypomnienie)<br />
• Tarcie<br />
• Produkty tarcia<br />
• Aktywacja makrofagów<br />
• Aktywacja ostoklastów<br />
• Osteoliza – zanik kości<br />
• Obluzowanie protezy<br />
• UHMPE – cząstki toksyczne<br />
• PE zużycie cierne: 50-200µm/rok;<br />
10 8 -10 10 cz stek /rok = 25mg/rok<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Porównanie zużycia ciernego<br />
w endoprotezach<br />
Zużycie cierne powierzchniowe<br />
metal/ PE – 75 -150 µm/rok<br />
metal/metal – 2.5 - 3.0 µm/rok<br />
ceramika/PE 30 -70 µm/rok<br />
korund/korund 0.5- 1.5 µm/rok<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika tlenkowa-spieki nieporowate<br />
• Ceramika cyrkonowa ZrO 2<br />
• Wytrzymałość na;<br />
• Zginanie 800- 1000MPa (korund 250 MPa)<br />
• Ściskanie 1800-2000MPa<br />
• Moduł Younga 150 GPa (korund 380 GPa)<br />
• Odporność na kruche pękanie 2X lepsza<br />
od korundu<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zastosowanie w medycynie<br />
ceramika nieporowate spieki<br />
• Protezy stawów<br />
• Implanty dentystyczne<br />
• Kosteczki słuchowe<br />
• Implanty do rekonstrukcji czaszki<br />
• Implanty do stabilizacji kręgów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Porowata ceramika tlenkowa<br />
Ceramika tlenkowa porowata – osteokonduktywna,<br />
kość wrastająca w pory materiału<br />
• Porowatość otwarta 60 –75%<br />
• Wytrzymałość (zgin.)10 – 20 MPa<br />
• Biomimetyczny układ porów<br />
• Pory kanalikowe i okrągłe 100 –500um<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Porowata ceramika tlenkowa<br />
w medycynie<br />
• Wrastanie tkanki kostnej do wnętrza<br />
implantu<br />
• Zmiana parametrów mechanicznych<br />
wzrost wytrzymałości (do 70%), obniżenie<br />
modułu sprężystości ⇒⇒ parametry<br />
mechaniczne kości zbitej<br />
• Ubytki tkanki kostnej – implanty dobrze<br />
zespolone z tkanką kostną<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioceramika<br />
• Klasa A - materiały osteoproduktywne –<br />
(osteoinduktywne) reakcja komórkowa i<br />
pozakomórkowa – trwałe połączenie; kość<br />
implant<br />
• Klasa B - materiały osteoprzewodzące<br />
(porowate) – reakcje komórkowe<br />
porowate materiały ceramiczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika fosforanowa –<br />
fosforany wapnia<br />
Fosforany - bioaktywna osteoinduktywna<br />
ß TCP –Ca 3(PO 4) 2<br />
Bioceramika HAp, Bioceramika TCP<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Fosforany wapnia<br />
• Hydroksyapatyt ortofosforan wapnia o stosunku molowym Ca/P = 1.667, należy do<br />
grupy apatytów<br />
• Stechiometryczny hydroksyapatyt: Ca 10(PO 4) 6OH 2<br />
• Apatyty izomorficzna grupa bezwodnych fosforanów wapnia; apatyt fluorowy,<br />
chlorowy, węglanowy i inne.<br />
• Apatyty biologiczne – hydroksyapatyt niestechiometryczny<br />
• Apatyt kostny Ca 10-x/2(PO 4) 6-x(CO 3) x(OH) 2<br />
• 1% of Na, Mg, K, Sr, Zn, Ba, Cu, Al, Fe, F, Cl and Si….<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność<br />
• Bezpośredni kontakt tkanka – kość (bez<br />
włóknistej otoczki)<br />
• Wiązanie o charakterze chemicznym<br />
• Tworzenie na powierzchni implantu<br />
aktywnej biologicznie warstwy apatytu –<br />
osteoinduktywność<br />
• Materiały bioaktywne (leczenie tkanki<br />
kostnej) są osteoinduktywne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika fosforanowa – materiały<br />
osteoinduktywne - bioaktywne<br />
Materiał, który posiada zdolność pokrywania się<br />
warstwą hydroksyapatytu o właściwościach<br />
zbliżonych do apatytu biologicznego nazywa<br />
się materiałem osteoinduktywnym<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Ceramika fosforanowa<br />
ceramika resorbowalna<br />
• Β – TCP – whitlockit (odpowiednik<br />
mineralny)<br />
• Ceramika rozpuszczalna w środowisku in<br />
vivo<br />
• Materiał przyspieszający odbudowę tkanki<br />
kostnej<br />
• Składnik kompozytów bioaktywnych.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zastosowanie hydroksyapatytu w medycynie<br />
Wypełnianie ubytków kostnych;<br />
• Powypadkowych<br />
• Po resekcji nowotworów<br />
• W żuchwie i twarzo-czaszce<br />
• W kręgosłupie<br />
• Warstwy i pokrycia na implantach metalicznych<br />
• Składnik kompozytów<br />
• Materiał modyfikujący właściwości podłoży dla<br />
inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Właściwości biologiczne hydroksyapatytu<br />
• Biozgodność z wieloma typami komórek<br />
• Powierzchnia o właściwościach sprzyjających<br />
adhezji i proliferacji komórek<br />
• Właściwości bioaktywne – tworzenie wiązań<br />
chemicznych pomiędzy tkanką a implantem<br />
(brak torebki łącznotkankowej)<br />
• Biozgodne produkty degradacji – szybkość<br />
degradacji zależna od mikrostruktury materiału,<br />
wielkości ziaren, stopnia krystaliczności, składu<br />
chemicznego.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Warstwy HAp, nanoszone plazmo<br />
SEM 10000x<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Coatings<br />
seem To<br />
have Good<br />
mechanical<br />
stability and<br />
adherence<br />
to substrates<br />
¦���<br />
����
(Niska gęstość)<br />
usuwanie nadmiaru masy<br />
suszenie, wypalanie<br />
Gąbka polimerowa<br />
Napełnianie gąbki<br />
masą ceramiczną<br />
(Wysoka gęstość)<br />
suszenie<br />
wypalanie<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioceramika węglanowa<br />
• Węglan wapnia w przyrodzie – koralowce,<br />
rafy koralowe i produkty ich wietrzenia<br />
• Koralowce – 99% aragonit, biozgodny z<br />
kością, stymulujący proces odbudowy<br />
kości<br />
• Syntetyczny węglan wapnia,węglan<br />
wapnia z dodatkiem fosforanu wapnia,<br />
porowaty i lity, obiecujący w<br />
zastosowaniach dla chirurgii kostnej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Cementy ceramiczne<br />
• Cementy wapniowo- fosforanowe<br />
(rozpuszczanie i strącanie fosforanów<br />
wapnia),długi czas wiązania, niska wytrzymałość<br />
• Cementy szkło-ceramiczne (szkła fosforanowowapniowe<br />
i wodny roztwór kwasu fosforowego)<br />
• Cementy bioaktywne wzmacniane włóknami<br />
węglowymi i hydroksyapatytem<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Szkła i szkłopochodne tworzywa<br />
szkła bioaktywne<br />
• Na 2 O – CaO – SiO 2 – P 2 O 5<br />
• Szkła zawierające;<br />
• Apatyt<br />
• Fluoroapatyt<br />
• Wolastonit<br />
• Berlinit<br />
• Flogopit<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Stan szklisty<br />
• Ciała stałe – krystaliczne, bezpostaciowe<br />
(amorficzne)<br />
• Bezpostaciowe- żele, smoły, szkła<br />
nieorganiczne, szkliste polimery organiczne<br />
• Brak uporządkowania dalekiego zasięgu,<br />
izotropia właściwości – ciecz o bardzo dużej<br />
lepkości<br />
• Stopniowe przejście od postaci ciała kruchego<br />
do wysokolepkiego - ciągła zmiana właściwości<br />
• Zamrożona wysokotemperaturowa struktura – z<br />
nadmiarem energii reaktywność szkieł<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
SKŁADNIKI SZKIEŁCERAMICZNYCH:<br />
A. Tlenki szkłotwórcze: tlenki Si, B, Ge, P, As, Zn - tworzą więźbę szkła<br />
B. Tlenki modyfikujące: tlenki Na, K, Ca, Mg* zrywają wiązania między elementami<br />
więźby osłabiając ją* wysycają lokalne niedobory ładunku lokując się w lukach<br />
więźby* łączą fragmenty więźby gdy nie jest ona w pełni przestrzennie<br />
spolimeryzowana<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Właściwości szkieł krzemianowych<br />
Substancja bezpostaciowa, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej<br />
Nie posiada stałej temperatury topnienia<br />
Materiał izotropowy<br />
Słaby przewodnik elektryczności<br />
Materiał o dużej odporności chemicznej<br />
(nie jest odporny na działanie kwasu fluorowodorowego)<br />
Właściwości mechaniczne szkła :<br />
twardość w skali Mohsa 5-7<br />
wytrzymałość na zginanie 30-50 MPa<br />
wytrzymałość na ściskanie 800-1000 MPa<br />
moduł Younga 70 GPa<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność szkieł ceramicznych<br />
Bioszkła<br />
Skład bioaktywnego szkła; SiO 2, CaO,Na 2O i P 2O 5<br />
(L.Hench 1988r) Bioglass<br />
Bioaktywność zależy od ilości poszczególnych<br />
składników.<br />
Szkła rekrystalizowane o różnych ilościach fazy<br />
krystalicznej zawierające minerały; whitlokit,<br />
apatyt fluorowy, wolastonit, berlinit i inne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywna ceramika<br />
bioszkło<br />
A<br />
SiO 2<br />
CaO Na 2 O<br />
A: Wiązane w ograniczonym zakresie<br />
B: brak wiązania; reaktywność za niska<br />
C: brak wiązania; reaktywność za wysoka<br />
D: Wiązanie pomiędzy tkanką kostną i implantem<br />
B<br />
D<br />
C<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność szkieł<br />
• Zjawisko wieloetapowe w wyniku którego<br />
powstaje połączenie pomiędzy implantem i<br />
tkanką kostną<br />
• Przebiega na poziomie poza- i<br />
wewnątrzkomórkowym<br />
• Zjawisko chemiczne pobudzające komórki do<br />
osteosyntezy (kościo-tworzenia)<br />
• Zjawisko przebiegające w środowisku in vitro, in<br />
vivo<br />
• Wykorzystywane w testowaniu właściwości<br />
implantów do integracji z tkanka kostną<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność<br />
• I etap - wymiana jonowa pomiędzy<br />
powierzchnią szkła i otaczającą cieczą<br />
Si –O –Na + + OH - Si – OH + Na + + OH -<br />
• II etap – formowanie się międzyfazowego<br />
układu wiązań;<br />
Si – O – Si Si – OH Si – OH<br />
• III etap – powstanie warstwy<br />
uwodnionego żelu krzemionkowego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność<br />
• IV etap –migracja jonów wapnia i grup<br />
fosforanowych do wnętrza warstwy<br />
żelowej – powstanie warstwy bogatej w<br />
wapń i grupy fosforanowe, nukleacja<br />
apatytu<br />
• V etap – krystalizacja apatytu kostnego<br />
pomiędzy dwoma fazami (implant/tkanka),<br />
grupy hydroksylowe częściowo<br />
zastępowane grupami węglanowymi<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Bioaktywność<br />
• Apatyt tworzący się na granicy faz działa stymulująco na<br />
komórki kostne<br />
• Tworzenie matrycy organicznej i jej mineralizacja<br />
• Apatyt wydziela na powierzchniach organicznych –<br />
włókna kolagenowe<br />
• Pomiędzy materiałem syntetycznym i tkanka tworzy się<br />
naturalna kość<br />
• Składniki nieorganiczne, budujące warstwę apatytu<br />
pochodzą lub z rozpadu bioszkła lub z osocza krwi<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaj<br />
jonów<br />
Na +<br />
K +<br />
Mg 2+<br />
Ca 2+<br />
Cl -<br />
HCO 3 -<br />
HPO 4 2-<br />
SO 4 2-<br />
St¡<br />
Sztuczne osocze krwi (SBF)<br />
142.0<br />
5.0<br />
1.5<br />
2.5<br />
147.8<br />
4.2<br />
1.0<br />
0.5<br />
¢enie (mmol/dm3)<br />
Osocze krwi cz owieka<br />
142.0<br />
5.0<br />
1.5<br />
2.5<br />
103.0<br />
27.0<br />
1.0<br />
0.5<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Klasyfikacja bioceramiki<br />
rodzaj „fiksacji” czyli połączenia z tkanką<br />
• Nieporowata -fiksacja<br />
morfologiczna<br />
• Porowata – fiksacja<br />
biologiczna<br />
• Z aktywna powierzchnią<br />
– fiksacja bioaktywna<br />
• Resorbowalna – zastąpienie<br />
implantu tkanka kostna<br />
• Ceramika korundowa i<br />
cyrkonowa<br />
• Ceramika fosforanowa,<br />
korundowa, cyrkonowa<br />
• Bioszkła, szkło –ceramika,<br />
hydroksyapatyt<br />
• TCP, sole fosforanowowapniowe<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaj<br />
biomateriału<br />
Metale i<br />
stopy<br />
Polimery<br />
Ceramika<br />
Biozgodność<br />
produktów<br />
degradacji<br />
brak<br />
brak<br />
słaba<br />
b. dobra<br />
(resorbowalne)<br />
umiarkowana<br />
lub b.dobra<br />
(resorbowalna)<br />
Biozgodność<br />
właściwości<br />
mechanicznych<br />
słaba<br />
dobra<br />
brak<br />
Reakcja z<br />
żywym<br />
organizmem<br />
Torebka<br />
łącznotkankowa,<br />
komórki około<br />
ciała obcego<br />
Torebka<br />
łącznotkankowa,<br />
komórki około<br />
ciała obcego<br />
Zastąpienie<br />
implantu przez<br />
tkankę<br />
Bezpośrednie<br />
połączenie z<br />
tkanka kostną<br />
Zastąpienie<br />
przez tkankę<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Zakres<br />
zastosowań<br />
Ortopedia<br />
stomatologia<br />
kardiochirurgia<br />
Wszystkie<br />
dziedziny<br />
medycyny<br />
Ortopedia<br />
Chirurgia<br />
kostna<br />
stomatologia<br />
¦���<br />
����
Pytania wykład 8:<br />
• Charakterystyka właściwości fizycznych i chemicznych ceramiki.<br />
• Rodzaje ceramiki stosowanej w medycynie.<br />
• Ceramika inertna – rodzaje tworzyw, zastosowania, reakcja tkanek<br />
na porowate i lite materiały ceramiczne.<br />
• Ceramika na bazie hyroksyapatytu, właściwości biologiczne,<br />
zastosowania.<br />
• Bioszkła jako materiał implntacyjny – skład tlenkowy, reakcja<br />
bioszkieł z tkanką kostną.<br />
• Zjawisko bioaktywności implantow osteoinduktywnych.<br />
• Oddziaływanie ceramicznych implantów ostoindukcyjnych,<br />
osteoprzewodzących i resorbowalnych z tkanka kostną<br />
• Wady i zalety bioceramiki.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
1. Węgiel włóknisty<br />
2. Węgiel warstwowy<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
C<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
σ<br />
π<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
⇒<br />
grafityzacja<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
↑<br />
↓<br />
⇓<br />
↑<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
↓<br />
↑<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
�<br />
�<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡¢<br />
£¤¢¥<br />
¡¢<br />
£¤¢¥<br />
¦§and��<br />
�¤��¤¢<br />
¦§¨et al©<br />
��¢¡<br />
�<br />
¤¢<br />
�����<br />
����©<br />
����<br />
���<br />
��<br />
��¢¡<br />
�<br />
¤¢<br />
�����<br />
�����<br />
����<br />
����<br />
���<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¨�¥<br />
��¢<br />
¢¥<br />
���¢<br />
��<br />
�¤��¤¢©<br />
¡¡©�¥<br />
�¡�<br />
¤¥<br />
¦¥<br />
¤¢��<br />
� ��¥¡<br />
¡et al. ��¢¡<br />
£§et al. ¨�¤¥<br />
�<br />
¤¢<br />
�����<br />
����©<br />
����<br />
����<br />
��<br />
¦¡¥§¥<br />
¦�¡<br />
¨�¡�§<br />
�������<br />
���<br />
��<br />
synovitis<br />
¨¤�¥��¥�<br />
��¢<br />
�¤��¡�<br />
����� ��<br />
�¤§�<br />
����<br />
���<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Różne opinie o włóknach, związane są ze stosowaniem w medycynie włókien<br />
różniących się strukturą a co za tym idzie właściwościami istotnymi dla<br />
zastosowań medycznych.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kwas hialuronowy – biopolimer obecny w tkankach<br />
młodych, substancja przyspieszająca leczenie<br />
chrząstki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metody wytwarzania warstw DLC:<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
�<br />
Modyfikacje mają na celu:<br />
�<br />
�<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Otrzymywany w zakresie temperatur 1000-1500 st. C, do temp.pokojowej<br />
drogą rozkładu termicznego substancji węglonośnych, węglowodorów<br />
(inhibitor procesu zakrzepowego)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
1. Kompozyty<br />
2. Nanokompozyty<br />
Kompozyty i<br />
nanokompozyty<br />
jako biomateriały
Biomateriały<br />
� Metale istopy<br />
� Polimery<br />
� Ceramika<br />
� Węgiel<br />
� Kompozyty<br />
Udział poszczególnych grup<br />
New developments on polymers for tissue<br />
w zastosowaniach engineering: replacement medycznych and<br />
regeneration, Madeira, Portugal 2006<br />
(2006)<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Co to jest kompozyt?<br />
� … to złoŜony materiał, który składa się z<br />
dwóch lub więcej faz o odmiennych<br />
właściwościach a którego właściwości<br />
stanowią wypadkową właściwości<br />
poszczególnych składników.<br />
� … to materiał, którego parametry moŜemy<br />
zaprojektować i obliczyć.<br />
� … to materiał w którym kaŜda z faz pełni<br />
określoną funkcje.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyt<br />
Właściwości kompozytów zaleŜą od;<br />
� 1. właściwości faz składowych<br />
� 2. ilości i geometrii faz (włókna, cząstki)<br />
� 3. sposobu ich rozprowadzenia<br />
(architektura kompozytu)<br />
� 4. rodzaju więzi pomiędzy składnikami<br />
(chemiczna, elektrostatyczna,<br />
mechaniczna)<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Z wykładu profesora J.Lisa…<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Główne typy kompozytów<br />
Kompozyty to materiały w których osnowa;<br />
� 1. zawiera włókna ciągłe lub krótkie<br />
� 2. zawiera cząstki kuliste lub płytkowe<br />
� 3. pokryta jest warstwą innego materiału<br />
Czyli kompozyty;<br />
� Włókniste<br />
� Cząstkowe<br />
� Warstwowe<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w inŜynierii biomateriałów<br />
� śaden prosty materiał (metal lub stop,<br />
polimer, ceramika, węgiel) nie jest w<br />
stanie spełnić wymagań jakie stawia<br />
medycyna materiałom implantacyjnym.<br />
� Aby poprawić funkcjonalność lub/i<br />
biozgodność materiałów tworzy się<br />
kompozycje z dwóch lub więcej<br />
materiałów prostych - czyli KOMPOZYTY.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w inŜynierii biomateriałów<br />
Kompozyty projektuje się i wytwarza w celu;<br />
� 1. ograniczenia korozji implantów metalicznych<br />
� 2. nadania właściwości atrombogennych materiałom dla<br />
kardiochirurgii<br />
� 3. nadania materiałom właściwości bioaktywnych – bezpośrednie<br />
połączenie z tkanką kostną<br />
� 4. obniŜenia współczynnika tarcia i zuŜycia ciernego w materiałach<br />
dla ortopedii<br />
HAp lub<br />
Bioszkło<br />
To są kompozyty warstwowe czyli<br />
materiał + warstwa<br />
Implant<br />
DLC lub<br />
Węgiel<br />
pirolityczny<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w inŜynierii biomateriałów<br />
Kompozyty projektuje się i wytwarza w celu;<br />
� Nadania implantom przenoszącym obciąŜenia odpowiednich<br />
parametrów mechanicznych w zakresie;<br />
� 1. modułu spręŜystości<br />
� 2. wytrzymałości<br />
� 3. biomimetycznej anizotropii<br />
parametrów mechanicznych<br />
To są kompozyty<br />
włókniste<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
To..<br />
Kompozyty w inŜynierii biomateriałów<br />
..teŜ są..<br />
…kompozyty<br />
włókniste<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w ortopedii – płytki stabilizatorów kostnych<br />
PEEK/Włókno węglowe<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w medycynie -<br />
włókniste, konstrukcyjne<br />
Właściwo ciwości ci mechaniczne<br />
• Projektowalne<br />
• Niezawodne<br />
• Powtarzalne<br />
• Biomimetycznie anizotropowe<br />
Transparentne dla promieni<br />
rentgenowskich<br />
Niska masa – wysoka wytrzymałość<br />
wytrzyma ść<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Trzpienie endoprotez<br />
kompozyt włóknisty i warstwowy<br />
Lekkie, wytrzymałe, parametry spręŜyste i fizyczne zbliŜone<br />
do tkanki kostnej, bioaktywne.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty włókniste – stabilizatory<br />
zewnętrzne złamań kostnych<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty włókniste – ortezy<br />
http://www.ortomed.mielec.pl/oferta1.html<br />
http://www.stanley.poznan.pl/oferta.php?id=1&typ=5<br />
http://www.sol.nu/pol/orth_p.html<br />
http://www.ssomedort.com.pl/stawu_skokowego_i_stopy.php<br />
Elementy ortez wykonane z kompozytów z włóknem węglowym<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Protezy - kompozyty włókniste<br />
włókna węglowe<br />
http://www.ortocentrum.com.pl/html/pol/produkty/udo/stopy.html<br />
http://www.sol.nu/pol/2prost_p.html<br />
Oscar Pistorius, proteza firmy islandzkiej OSSUR<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Elementy protez wykonane z kompozytów z włóknami węglowymi<br />
Protezy z napędem hydraulicznymprotezy<br />
płynowe<br />
Proteza C-leg pełne sterowanie<br />
mikroprocesorowe<br />
Proteza Jasia Meli<br />
Proteza kończyny dolnej z<br />
mięśniami pneumatycznymi<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty włókniste<br />
sprzęt rehabilitacyjny<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty z cząstkami – zastosowania w inŜynierii biomateriałow<br />
Cząstki róŜnych kształtów i wielkości (w zakresie mikrometrów)<br />
Cząstki nieorganiczne rozprowadzone w polimerowych matrycach;<br />
degradowalnych lub biostabilnych<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty z wypełniaczem w formie<br />
cząstek<br />
� Poprawa parametrów mechanicznych<br />
polimerów<br />
� Właściwości osteoindukcyjne kompozytów<br />
– cząstki bioaktywne; HAp, TCP, bioszkło<br />
� Właściwości bakteriobójcze – cząstki<br />
srebra<br />
� Kompozyty o matrycach resorbowalnych,<br />
zawierające mikrosfery, uwalniające<br />
bioaktywne molekuły lub leki<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Biomimetyczny kompozyt - kolagen i TCP<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty w inŜynierii biomateriałów<br />
Zalety;<br />
� Modyfikacja parametrów mechanicznych<br />
� Otrzymywanie tworzyw osteoindukcyjnych (bioaktywnych)<br />
� Materiały implantacyjne o wyŜszej biozgodności właściwości fizycznych w<br />
porównaniu z materiałami prostymi<br />
� Wysoko-funkcjonalne protezy i ortezy, sprzęt rehabilitacyjny<br />
Wady<br />
� Układy wielofazowe o słabo rozpoznanej degradacji – problemy związane z<br />
toksycznością produktów degradacji.<br />
� Wysoka cena<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanomateriały w biomateriałach<br />
� Nanokompozyty- polimery z<br />
wypełniaczami nieorganicznymi o<br />
wielkości w skali nano, polimery<br />
biostabilne i resorbowalne<br />
� Funkcjonalizacja powierzchni –<br />
topografia w skali nano - nanokompozyty<br />
warstwowe.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Kompozyty z fazą nano<br />
� Nanofazy (włókna, cząstki)/ osnowa<br />
� Kompozyty nie stosujące się do klasycznej<br />
teorii tworzyw kompozytowych<br />
� Nanofaza – mikrofaza - ilość powierzchni<br />
rozdziału faz<br />
� Nanofaza – wysokie parametry mechaniczne<br />
(szacowane matematycznie)<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Włókna mikro i nano<br />
Porównanie właściwości;<br />
Wytrzymałość ?<br />
Powierzchnia rozwinięcia?<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
1nm 3<br />
Czas rozpuszczania<br />
(woda, 25 0 C, pH 7)<br />
-34 miliony lat<br />
-1.1 sec<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanokompozyty w<br />
biomateriałach<br />
� Kompozyty;<br />
Nanocząstki, nanowłókna / osnowy polimerowe,<br />
węglowe<br />
� Kompozyty hybrydowe;<br />
nanocząstki (nanowłókna) / mikrocząstki (mikrowłókna)<br />
Modyfikacja parametrów, mechanicznych,<br />
biologicznych, elektrycznych, cieplnych,<br />
magnetycznych, procesu polimeryzacji (skurcz),<br />
czasu resorpcji…<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Przykłady nankompozytów dla potrzeb<br />
medycyny<br />
� Materiały opatrunkowe<br />
� Materiały implantacyjne dla chirurgii kostnej<br />
� PodłoŜa tkankowe dla inŜynierii tkanek i<br />
medycyny regeneracyjnej<br />
� Układy stosowane w dozowaniu leków<br />
� Bakteriobójczy sprzęt medyczny, wyposaŜenie<br />
sal operacyjnych szpitali, odzieŜ medyczna<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanocząstki w nanokompozytach dla<br />
zastosowań medycznych. Rodzaj cząstki i jej<br />
wpływa na poprawę właściwości (przykłady).<br />
� Krzemiany warstwowe (właściwości<br />
mechaniczne, wytrzymałość i moduł<br />
spręŜystości)<br />
� Hydroksyaptyt (właściwości bioaktywne)<br />
� Srebro (właściwości bakteriobójcze)<br />
� I inne ?<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Powierzchnie nanostrukturalne<br />
nankompozyty warstwowe<br />
� Nanocząstki bioaktywne na powierzchniach<br />
materiałów inertnych – właściwości<br />
bioaktywne (tkanka kostna)<br />
� Powierzchnie o chropowatości w skali nano<br />
- poprawa adhezji i proliferacji komórek<br />
� Nanowłókna, nanoszone na lite powierzchnie<br />
(polimerowe, ceramiczne) –lepsza adhezja i<br />
proliferacja komórek.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanomodyfikacja powierzchni<br />
� Powierzchnie nanostrukturalne wykazują wyŜszą biozgodność<br />
z komórkami w porównaniu z powierzchniami<br />
mikrostrukturalnymi<br />
� Fibroblasty<br />
� Komórki nerwowe<br />
� Komórki mięśni gładkich<br />
� Komórki śródbłonka<br />
� Komórki kostne osteoblasty<br />
K. Fujihara et.al.. Biomaterials 26 2005,4139-4147.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanotoografia powierzchni, płytka polistyrenowa po<br />
obróbce laserowej, kierunkowa adhezja komórek do<br />
powierzchni materiału.<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
InŜynieria biomateriałów<br />
Funkcjonalizacja powierzchni tworzyw implantacyjnych<br />
fibroblast<br />
Wood J. “Nanotube scaffolds for tissue engineering”, Materials Today 7 (2004) 10.<br />
Nanowłókna na<br />
powierzchni<br />
materiału<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Pytania do wykładu;<br />
� Co to jest tworzywo kompozytowe i od czego zaleŜą jego<br />
właściwości?<br />
� Jakie są rodzaje tworzyw kompozytowych i które z nich znajdują<br />
zastosowanie w medycynie?<br />
� Jakie zastosowania w medycynie znajdują włókniste materiały<br />
kompozytowe?<br />
� W czym tkwi duŜy potencja tej grupy tworzyw dla zastosowań w<br />
medycynie?<br />
� Jakie parametry osnów polimerowych moŜna modyfikować przy<br />
zastosowaniu nanocząstek?<br />
� W jaki sposób inŜynieria biomateriałów wykorzystuje właściwości<br />
hydroksyapatytu, do wytwarzania materiałów kompozytowych?<br />
(rodzaje kompozytów z HAp)?<br />
Dr hab. inŜ. prof. AGH Marta BłaŜewicz, 2008
Nanomedycyna<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nanomedycyna<br />
Jest to dziedzina, która zajmuje się<br />
diagnozowaniem, naprawą, konstrukcją<br />
(rozbudowa systemu obronnego) i analizą<br />
ludzkiego organizmu na poziomie molekularnym<br />
przy zastosowaniu nanorobotów i nanostruktur<br />
(Robert A. Freitas).<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nanomedycyna - definicja<br />
Nanomedycyna to jedna z dziedzin<br />
wchodzących w skład nanotechnologii,<br />
zajmująca się wysoko wyspecjalizowanymi<br />
działaniami medycznymi mającymi na celu<br />
leczenie lub regeneracje tkanek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nanomedycyna obszary zastosowań<br />
• Analityka<br />
• Nanowizualizacja<br />
• Nanomateriały i nanourządzenia<br />
• Nowe rodzaje terapii<br />
• Systemy dozowania leków<br />
• Normy, badania toksyczności, związane z<br />
nanotechnologiami stosowanymi w<br />
medycynie.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Terapia i diagnostyka przy zastosowaniu<br />
nanocząstek<br />
Czynniki decydujące o atrakcyjności (przydatności)<br />
nanocząstek w medycynie to;<br />
• Rozmiar pozwalający na swobodną migracje<br />
przez membrany biologiczne (błona komórkowa)<br />
• Chemiczne właściwości powierzchni<br />
pozwalające na jej modyfikacje w szerokim<br />
zakresie, immobilizacja; leków, białek, genów…<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Rodzaje nanocząstek stosowanych w medycynie<br />
• Polimerowe, metaliczne, ceramiczne,<br />
węglowe<br />
• Płytki, cząstki kuliste, włókna<br />
• Biodegradowalne<br />
• Magnetyczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nanomedycyna - stan aktualny<br />
Nośniki lek w nanocząstki jako urządzenia<br />
naprowadzające<br />
• Nanocząstki magnetyczne - hipertermia<br />
• Sensory<br />
• Kropki kwantowe – zastosowania analityczne<br />
• Nanostrukturalne implanty, podłoża dla inżynierii tkanek,<br />
materiały dla medycyny regeneracyjnej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nośniki leków; nanocząstki magnetyczne (Fe 2O 3), jako<br />
urządzenia „naprowadzające”, przy zastosowaniu<br />
zewnętrznego pola magnetycznego<br />
magnetycznych nośników<br />
leków<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nośniki leków – nanocząstki jako urządzenia<br />
„naprowadzające”<br />
Nanocząstki<br />
inhalacja<br />
Nanocząstki<br />
Nowotwór<br />
Pole<br />
Magnetyczne<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Magnetyt<br />
Tkanka<br />
Nośnik leku<br />
lek<br />
Magnetyczne nośniki leków<br />
Magnes<br />
Kapsułka polimerowa<br />
Naczynie krwionośne<br />
Linie pola magnetycznego<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Nanometryczne cząstki magnetyczne<br />
w terapii rakowej - hipertermia<br />
Metoda wykorzystuje dużą wrażliwość komórek nowotworowych<br />
na podwyższenie temperatury. Metoda składa się z<br />
następujących etapów; <strong>wprowadzenie</strong> bezpośrednio do chorej<br />
tkanki lub do krwiobiegu cząstek magnetycznych a następnie<br />
przyłożenie zmiennego pola magnetycznego o takiej<br />
amplitudzie i częstości by spowodować grzanie się cząstek.<br />
• Hipertermia – parametry terapii<br />
• Pacjent po iniekcji nanocząstek<br />
• Pole magnetyczne ~ 100 KHz ~ 30 minut<br />
• Temperatura 41-45 0 C<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Cząstki<br />
magnetyczne<br />
¡¢£<br />
¤¥¦§¨©<br />
¥�<br />
��©�<br />
�¦¡���©�£¨<br />
PEG<br />
Modyfikacja<br />
powierzchni<br />
Błona<br />
komórkowa<br />
Mechanizm transportu cząstek magnetycznych do wnętrza komórki<br />
�£<br />
¤�©�<br />
���<br />
¦������<br />
¦�<br />
�¢���<br />
Magnetyzm w medycynie<br />
Kwas<br />
foliowy<br />
¦¦�<br />
���<br />
�¦�©�<br />
������¡�¡<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
���©�<br />
¥��<br />
��<br />
¥��¢<br />
¦���<br />
����
Quantum Dot<br />
kropka kwantowa<br />
Nanokryształy zbudowane z dwóch warstw półprzewodnika;<br />
nanokryształ CdSe pokryty ZnS, otoczony TOPO<br />
(topotektanem).<br />
1. Wielkość strefy wzbronionej zależy do wielkości kropki<br />
kwantowej i wraz z jej spadkiem, rośnie<br />
2. Zdolność adsorpcji i emisji światła o różnej długości fali<br />
3. Fotostabilność większa od znaczników organicznych 100<br />
–200x.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kropki kwantowe<br />
Zdolność rozkodowywania dużej liczby biomolekuł<br />
przy użyciu kolorów i różnych ich poziomów intensywności<br />
Obserwacje zjawisk zachodzących w żywych tkankach<br />
w długich okresach czasu .<br />
Możliwości wykrywania komórek rakowych i śledzenia ich wędrówki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Kropki kwantowe wizualizacja in vivo<br />
Zdolność przyłączania biologicznych<br />
molekuł; białka, kwasy nukleinowe –<br />
nawigacja typu, przeciwciało -antygen<br />
Wielowymiarowa detekcja – emisja (dł. fali)<br />
zależy od wielkości cząstki<br />
Obojętne biologicznie<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Czynniki wpływające na właściwości<br />
biologiczne nanocząstek<br />
• Powierzchnia rozwinięcia<br />
• Chemia powierzchni<br />
• Rozmiar i kształt<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Przyczyny toksyczności nanocząstek<br />
Posiadają aktywną i dużą powierzchnie mogą oddziaływać<br />
z biomolekułami w warunkach in vivo i in vitro<br />
Mogą być nieprawidłowo rozpoznane przez system<br />
immunologiczny<br />
Mogą powodować ostry stan zapalny, który w końcowym<br />
efekcie prowadzić może do nowotworu.<br />
Mogą powodować pogorszenie w chorobach serca,<br />
arteriosklerozie i astmie.<br />
Mają rozmiar białek i mogą ingerować w przekazy<br />
informacji międzykomórkowej<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Inżynieria tkankowa<br />
Medycyna regeneracyjna<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Transplantologia<br />
Transplanty<br />
(przeszczep)<br />
Autografty<br />
Allografty<br />
Izografty<br />
Ksenografty<br />
Materiały dla<br />
medycyny<br />
Inżynieria<br />
Tkankowa<br />
Podłoża/skafoldy<br />
Biomateriały<br />
Medycyna<br />
regeneracyjna<br />
inteligentne bio<br />
-materiały<br />
BIOMATERIAŁY<br />
Implantologia<br />
Implanty<br />
(wszczep)<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
!<br />
¦���<br />
����
Co to jest inżynieria tkankowa?<br />
skafold komórki<br />
Bioreaktor<br />
Bioaktywne<br />
molekuły<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Podłoże (scaffold)<br />
• Kształt zdefiniowany ubytkiem tkanki przeznaczonym<br />
do leczenia – tomografia komputerowa<br />
• Wysoka porowatość (otwarta), powierzchnia o<br />
chropowatości, pozwalającej na adhezje komórek<br />
• Formy nanostrukturalne poprawiające adhezje<br />
komórek<br />
Goldstein et al. Tissue Eng 5:421, 1999<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Podłoże (scaffold)<br />
Powierzchnia podłoża zaopatrzona w<br />
bioaktywne molekuły, stymulujące<br />
komórki do proliferacji i tworzenia tkanki<br />
(leki, geny, czynniki wzrostu..)<br />
Określony czas degradacji (resorbcji).<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Dynamiczny bioreaktor<br />
Medium, zawierające odżywki i tlen, dla<br />
komórek zasiedlających podłoże<br />
medium<br />
podłoże<br />
Goldstein et al Biomaterials 22:1279, 2001<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
tkanka<br />
komórki<br />
komórki<br />
Chrząstka<br />
konstrukt<br />
Namnażanie komórek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Medycyna regeneracyjna<br />
• Idea – biomimetyczna aktywacja procesu<br />
regeneracyjnego<br />
• Narzędzia – komórki, geny, komórki<br />
modyfikowane genetycznie, czynniki wzrostu,<br />
hormony, nanotechnologie w zakresie<br />
materiałów do enkapsulacji komórek i podłoży<br />
tkankowych<br />
• Cel – nowe metody leczenia<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Medycyna regeneracyjna<br />
….powstała w oparciu o przekonanie że<br />
organizm ludzki posiada zdolność<br />
samoleczenia, jeżeli tylko przekazane<br />
zostaną mu odpowiednie sygnały…<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Metody regeneracji tkanek<br />
medycyna regeneracyjna<br />
• Iniekcja aktywnych czynników czynnik w do chorej tkanki –<br />
metody biomolekularne<br />
• Transplantacja komórek, kom rek, komórki kom rki mogą mog być by<br />
enkapsulowane, enkapsulowane,<br />
równie r wnież komórek kom rek<br />
modyfikowanych genetycznie – metody<br />
komórkowe<br />
kom rkowe<br />
• Wszczepienie podłoży pod y o biomimetycznej<br />
budowie zaopatrzonych w bioaktywne molekuły moleku y<br />
ew. w komórki kom rki- metody materiałowe<br />
materia owe<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Medycyna regeneracyjna – metody materiałowe<br />
Inżynieria<br />
tkankowa<br />
Bioreaktor<br />
komórki<br />
Biomimetyczny, inteligentny<br />
biomateriał<br />
Bioaktywne<br />
molekuły<br />
Medycyna<br />
regeneracyjna<br />
Ludzki organizm<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Medycyna regeneracyjna – metody materiałowe<br />
Biomimetyczny, inteligentny<br />
Biomateriał – założenia konstrukcyjne;<br />
1. Podłoże tkankowe o budowie<br />
inspirowanej strukturą macierzy zewnątrzkomórkowej (zastępowanej tkanki)<br />
(Funkcjonalizowane aktywnymi biomolekulami, zasiedlone komórkami)<br />
2.Membrana typu;<br />
komórki<br />
Biomimetyczny, inteligentny<br />
biomateriał<br />
Bioaktywne<br />
molekuły<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Wskazania do regeneracji nerwów<br />
• Nerwy układu obwodowego – przerwana<br />
ciągłość nerwu (urazy układu kostnego)<br />
• Ubytek nerwu większy niż 3-5 cm<br />
• Mniejsze ubytku- zszycie nerwu.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Sposoby leczenia przerwanych nerwów obwodowych<br />
• Terapia „materia materiałowa owa” – podłoża<br />
tkankowe -przewodniki nerwów (nerve<br />
guide)<br />
• Terapia biomolekularna – czynniki<br />
wzrostu, geny, czynniki antyapoptozowe<br />
• Terapia komórkowa<br />
kom rkowa; komórki Szwanna,<br />
genetycznie modyfikowane komórki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
1. Włókna otoczone<br />
tkanką – środnerwie<br />
2. Pęczki włókien<br />
otoczone<br />
tkanką- onerwie<br />
.<br />
3. Całość zamkniętą<br />
tkanka - nanerwie<br />
Budowa nerwu obwodowego.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Wymagania dotyczące materiałów na<br />
przewodniki nerwów, (nerve guides) – medycyna<br />
regeneracyjna<br />
• Biozgodność<br />
• Możliwość wszycia<br />
• Możliwość sterylizacji<br />
• Długi okres degradacji<br />
• Sztywność osiowa<br />
• Elastyczność wzdłużna<br />
• Biomimetyczna struktura, porowata rurka lub<br />
rurki<br />
• Właściwości elektryczne ?<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Proksymalny<br />
koniec nerwu<br />
Przewodnik nerwu<br />
Implant do regeneracji nerwu- idea<br />
Space maker<br />
(membrana)<br />
Podłoże<br />
Czynniki wspomagające regeneracje<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Dystalny<br />
koniec nerwu<br />
¦���<br />
����
Budowa i funkcje skóry<br />
• Izolacja, ochrona<br />
• Termoregulacja<br />
• Odbiór bodźców<br />
• Gospodarka witaminowa, tłuszczowa,<br />
wodna<br />
• Wydzielanie dokrewne i inne funkcje<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Budowa i funkcje skóry<br />
• Włókna kolagenowe w formie<br />
nieregularnego układu, ok.72% masy<br />
suchej<br />
• Włókna elastynowe wokół włókien<br />
kolagenowych<br />
• Matryca (matrix) kwas hialuronowy i<br />
chondroitynowy, białka, glikoproteiny<br />
• Trzy warstwy; tkanka podskórna, skóra<br />
właściwa, naskórek<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Budowa i funkcje skóry<br />
• Tkanka podskórna; tkanka łączna właściwa<br />
luźna, tkanka tłuszczowa – zapas energii,<br />
umożliwia przesuwanie się skóry nad podłożem<br />
mięśniowo-chrzęstnym<br />
• Skóra właściwa; tkanka łączna zwarta – włókna<br />
kolagenowe i elastynowe, wysoka wytrzymałość<br />
na rozciąganie, naczynia krwionośne, receptory,<br />
torebki włosów<br />
• Naskórek wielowarstwowy; komórki<br />
nabłonkowate- keratynocyty<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Budowa i funkcje skóry<br />
• Skóra największy narząd w organizmie ludzkim<br />
do 2m 2<br />
• Skóra jako materiał – kompozyt o wysokiej<br />
hierarchii struktury, kompozyt włóknisty<br />
posiadający włókna różniące się właściwościami<br />
mechanicznymi i średnicą, budowa warstwowa<br />
• Skóra – kompozyt wielofunkcyjny<br />
• Skóra – kompozyt posiadający właściwości<br />
samo –leczenia, likwidacja defektów<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Wskazania do leczenia ubytków skóry<br />
• Rany oparzeniowe, różnego pochodzenia<br />
• Trudno-gojące się rany<br />
• Blizny ograniczające ruchomość kończyn<br />
• Blizny – kosmetyka<br />
Implanty skóry (sztuczna skóra), inżynieria<br />
tkankowa, implanty z naturalnych tkanek,<br />
autografty<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Implant INTEGRA – medycyna regeneracyjna;<br />
„metody materiałowe”<br />
podłoże o strukturze zbliżonej do budowy skóry<br />
właściwej, otoczone folią (space marker)<br />
• Implant dwuwarstwowy<br />
• Włókna kolagenowe (bydlęce), siarczan<br />
chondroityny z chrząstki rekina<br />
• Pory 20 –125 um<br />
• Silikonowa folia<br />
• Zatwierdzony przez FDA 1995<br />
• Yannas, Burk – USA<br />
• Koszt w Polsce 1m 2<br />
300 tys.PLN<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Integra –schemat leczenia tkanki<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
Space maker<br />
(membrana)<br />
Podłoże<br />
¦���<br />
����
Pytania do wykładu;<br />
• Nanomedycyna – definicje, terapia i diagnostyka<br />
nanoczastkami – magnetyczne nośniki leków,<br />
hipertermia, opisy metod.<br />
• Nanokropki kwantowe i ich zastosowania w medycynie.<br />
• Nadzieje i zagrożenia; nanoczastka w żywym<br />
organizmie.<br />
• Idea inżynierii tkankowej – przykład zastosowania.<br />
• Co to jest medycyna regeneracyjna – metody<br />
biomolekularne, komórkowe i „materiałowe”.<br />
• Podłoże dla medycyny regeneracyjnej, jako materiał<br />
niosący informacje, regulujący i wspomagający<br />
regeneracje tkanek.<br />
¡<br />
¢£<br />
¤¥<br />
¦§<br />
¨¥<br />
©¡�<br />
�¥<br />
����£¡<br />
�£<br />
��£<br />
¨��<br />
¦���<br />
����
Zagadnienia z Biomateriałów - seminaria<br />
1. Przyczyny rozwoju inżynierii biomateriałów.<br />
2. Endoproteza stawu biodrowego (rodzaje trzpieni, materiały wykorzystywane na<br />
poszczególne jej elementy, rodzaje komplikacji po implantacji).<br />
3. Macierz zewnątrzkomórkowa – budowa, funkcje.<br />
4. Jakie czynniki powierzchni materiału mają wpływ na odpowiedz komórkową.<br />
5. Porównanie właściwości mechanicznych, elektrycznych, strukturalnych, chemicznych<br />
i biologicznych podstawowych grup materiałowych (metale, ceramika, polimery,<br />
węgiel).<br />
6. Rola powierzchni w inżynierii biomateriałów.<br />
7. Rodzaje badań fizykochemicznych biomateriałów.<br />
8. Otrzymywanie linii komórkowych (hodowle komórek), rodzaje linii komórkowych<br />
9. Co możemy oznaczyć w badaniach biologicznych in vitro i in vivo.<br />
10. Porównanie metod badania biozgodności w warunkach in vitro i in vivo.<br />
11. Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie.<br />
12. Wymagania stawiane polimerom medycznym.<br />
13. Połączenia pomiędzy kością, a implantem.<br />
14. Materiały polimerowe wykorzystywane przy łączeniu tkanek miękkich (nici i kleje).<br />
15. Rodzaje sterylizacji.<br />
16. Metody formowania implantów ceramicznych.<br />
17. Ceramika resorbowalna i nieresorbowalna oparta na fosforanach wapnia.<br />
18. Metody nanoszenia pokryć ceramicznych na implanty metaliczne.<br />
19. Cechy biozgodnych włókien węglowych otrzymywanych z PAN-poliakrylonitryl.<br />
20. Rodzaje powłok węglowych stosowanych na pokrycia implantów w medycynie.<br />
21. Potencjalne możliwości zastosowania materiałów w skali nano w inżynierii<br />
biomateriałów.<br />
22. Niebezpieczeństwa związane z zastosowaniem nanomateriałów.<br />
23. Idea inżynierii tkankowej.<br />
24. Metody otrzymywania podłoży (skafoldów) dla potrzeb inżynierii tkankowej.