Dlaczego chemia?
Wykład wstępny
Dlaczego chemia?
Wykład wstępny
Biomateriały – a inżynieria biomedyczna
1. Wstęp
- Co to jest?
- Właściwości biomateriałów
2. Oddziaływanie pomiędzy tkanką a
biomateriałem
- co się dzieje z tkanką w zetknięciu z biomateriałem
Czym się może zajmować
IB:
Implanty
Protezy
Biosensory
Aparatura medyczna, kliniki
Urządzenia dla inwalidów
Bezpieczeństwo pacjentów
Metale
Półprzewodn
iko-we
materiały
Ceramik
a
Polimer
y
Syntetyczne
BIOMATERIA
ŁY
Otopedyczne
implanty
Implanty
dentystyczn
e
Dentystyczne
implanty
zastawk
i
Uzupełnieni
a kości
Biosensory
Implanty
elektrod
Sztuczna
skóra
Dostarczani
e
leków
Implanty
oczne
Właściwości biomateriałów
1.
Chemiczne
–Brak reakcji chemicznych pomiędzy składnikami
biomateriału i
tkanką
– Możliwość kontrolowanej resorpcji
2.
Mechaniczne
– elastyczność i wytrzymałość.
– porowatość
– zużywanie się
3.
Biologiczne
– biokompatybilność – zgodność tkankowa,
odpowiedź ze strony układu immunologiczneg
– wiązanie się z tkanką
– wzmożone tworzenie tkanki wokół wprowadzonego
materiału
Odpowiedź tkanki na zetknięcie z materiałami
Materiał toksyczny
– obumieranie tkanki (
metale
)
Materiał
Bioinertny
– zarastający tkanką (
Al
2
O
3
,
ZrO
2
)
Materiał
Bioaktywny
– tworzą się dodatkowe
wiązania
Material
resorbowalny
–rozpuszcza się i tkanki go
zastępują
Ważna jest więc granica zetknięcia
materiału z tkanką. Tam zaczynają
się wszystkie procesy
Modelowanie granicy
tkanka/materiał
1. Fizykochemiczne metody
- Energia powierzchni
- Zmiana składu powierzchni
- Ładunek powierzchniowy ( + lub - ?)
2. Morfologiczne metody
- Zmiana wielkości powierzchni zetknięcia –
- sztuczne zwiększanie powierzchni
3. Biochemiczne metody
- Pokrywanie powierzchni cząsteczkami
zwiększającymi adhezję komórek: np.
sekwencja
aminokwasów
Arg-Gly-Asp
Obraz powierzchni granicznej implantu/kość
(CL) – cement
(IS) – implant
(Os) - osteocyty
Historia Biomateriałów
Rzymianie, Chińczycy, i Aztekowie
używali złoto do plombowania zębów
(2000 lat temu).
Protezy zębów z kości słoniowej lub
drzewa
Aseptyczna operacja 1860 (Lister)
Platynowe kości 1900, stawy 1930
W latach 50 polimery
1960- Polietylen i stal nierdzewna -
implanty
Pierwsza Generacja
Implantów
“ad hoc” implanty
Materiały stosowane przez lekarzy
Sukcesy przypadkowe
Przykłady
•Złote plomby, drewniane zęby, PMMA – polimerowe protezy
• Stal, złoto platyna, Kość słoniowa, płytki kostne
• Szklane oczy
• Tkanina dakronowa i spadochronowa - implanty naczyniowe
Druga generacja implantów
Konstrukcja implantów używając powszechnie stosowanych
materiałów
Oparte na współpracy lekarzy i inżynierów
Wykorzystuje się doświadczenie ze stosowania pierwszej
generacji implantów
Stosowanie zaawansowanych materiałów
• tytanowe stopy – dentystyczne i ortopedyczne implanty
• Kobaltowo-chromowo-molibdenowe ortopedyczne implanty
• UHMW polietylenem pokrywane powierzchnie w celu całkowitej
wymiany stawów
• Sztuczne zastawki i rozruszniki
Przykłady
Trzecia generacja implantów
Implanty z projektowanych biomateriałów
Rzadko spotykane na rynku - prototypy
Urządzenia wykorzystujące nowe polimery lub znane ale
ich modyfikacje
Ciągle nowe opracowania
Przykłady
•Inżynieria tkankowa oparta raczej na ponownym
wzroście tkanki a nie zastępowaniu
•Sztuczna skóra
•Genzyme cartilage – hodowle komórkowe
• Cementy resorbowane – łączenie kości
•Genetycznie konstruowane „biologiczne”
komponenty - bank komórek
Biomateriały najczęściej używane
Materiał
Zastosowanie
Guma silikonowa
cewki, rurki
Dakron przewody (transport krwi)
Celuloza membrany dializacyjne
Poli(metylo-metakrylan) soczewki, kości
Poliuretaney cewki
Hydożele
okulistyka, nośniki leków
Stal nierdzewna Ortopedia, stenty
Tytan Ortopedia i dentyści
Aluminium Ortopedia i dentyści
Hydroksyapatyty
Ortopedia i dentyści
kolagen (przetworzony) oftalmologia, opatrywanie
ran
Interdyscyplinarność
wiedzy
Bioinżynieria
Materiałoznawstwo
Immunologia
Chemia
Biologia
Chirurgia
...
x
y
z
OH
O
C
a
P
Hydroksyapatyty
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
Heksagonalna
P6
3
/m a = 9.422 Å
c = 6.880 Å
CDHAp:
Ca
10-x
(HPO
4
)
x
(PO
4
)
6-x
(OH)
2-x
Trójskośna
_
P 1 a = 9.529 Å
=
90.13
o
b = 18.994 Å
=
92.19
o
c = 6.885 Å
=
103.36
o
Ca
8
(HPO
4
)
2
(PO
4
)
4
·5H
2
O
C2 jednoskośna
a = 6.363 Å
b = 15.19 Å
=
118.48
o
c = 5.815 Å
O
Ca
P
CaHPO
4
·2H
2
O
Amorficzna postać
“Ca
3
(PO)
4
· xH
2
O”
Kryształy a wytrzymałość
mechaniczna.
Pytania bardzo ważne:
1)
Która z podanych struktur jest
bardziej wytrzymała na
rozciąganie , ściskanie lub
zginanie?
2)
Jakie ma to znaczenie z punktu
widzenia bioinżynierii?
Występowanie fosforanów wapnia
w organizmach
Formula
Occurrences
(Ca,Z)
10
(PO
4
,Y)
6
(OH,X)
2
HAp
Zęby, kości,kamień
nazębny,kamienie nerkowe,
zwapnienia tkanek miękkich
Ca
8
H
2
(PO
4
)
6
·5H
2
O
OCP
Kamień nazębny i nerkowy
CaHPO
4
·2H
2
O
DCP
D
Kamień nazębny, krystaluria,
Łatwo się rozkłada
(Ca,Mg)
9
(PO
4
)
6
TCP
Kamień nazębny i nerkowy
Artretyzm, zwapnienia tkanek
miękkich
(Ca,Mg)
?
(PO
4
,Q)
?
ACP
Zwapnienia tkanek miękkich
Ca
2
P
2
O
7
·2H
2
O
CPPD
Osady w płynach fizjologicznych
Tetraedry krzemianowe
Tarbuck and Lutgens, 2003
Pojedynczy łańcuch
Tarbuck and Lutgens, 2003
Podwójny łańcuch
Tarbuck and Lutgens, 2003
Struktury płaskie
Tarbuck and Lutgens, 2003
Struktury przestrzenne
Tarbuck and Lutgens, 2003
Uproszczone struktury
krzemianów
Związek pomiędzy mikrostrukturą a
możliwością zastosowania
Jakie mają znaczenie kanały
utworzone przez strukturę
krystaliczną krzemianów?
Jakie można znaleźć zastosowanie?
Polietylen
“Monomer”
(Etylen gaz)
Polimer
(Polyethylene,
PE)
Liniowe polimery
PVC, chlorek poliwinylu
Rury kanalizacyjne,
PP, polipropylen
tkaniny,liny,
Fig 4.2
Struktury polimerów
chemia
i
Warunki
zewn.
Mechaniczna
wytrzymałość
Naturalne Białka - kolagen
Polisacharydy (kwas
hialuronowy)
Korzyści:
biocompatybilny
Problemy:
Izolacja
Konieczność przetwarzania.
Biopolimery
Tkanka kostna
Skład chemiczny kości
Dwie fazy, kompozytowy materiał - organiczny
(elastyczny) i nieorganiczny (sztywny)
Makroskopowastruktura
Składniki kości (wt%)
Od struktury makro do mikro, kości
ludzkie
Struktura i funkcje kości
Mechaniczne wspomaganie
Wytrzymałe na ściskanie
Nieodporne na ścinanie
Dwa typy kości:
Korowe
gąbczaste
http://www.engin.umich.edu/class/bme456/
(A)Efekt starzenia się ludzi na strukturę kości
(B)Obraz ubytków na skutek osteoporozy
Przykłady wkładek
Kompozytowy dysk zawierający
przeszczepione komórki szpiku
kostnego
Naczynia krwionośne
Pełnione funkcje
Charakterystyka
materiałowa:
Elastyczność
wytrzymałość
Inżynieria tkankowa-
hodowla naczyń
krwionośnych
Electrospun Collagen
(Virginia
Commonwealth)
“Biodegradable
scaffolding” (Duke
Univ./MIT)
No scaffolding
(Cytograft Tissue
Engineering)
Bajpasy
Autoprzeszczepy
Alloprzeszczepy, Syntetyczne (> 4 mm)
Synthetic vascular grafts from W.L.Gore
Zastawki w sercu
skóra
http://www.cosmetic-register.com/cwjournal/798/role_of_ceramides_in_the_barrier.htm
Stratum corneum: 10 - 20 m thick
Epidermis:
100 m thick
Dermis
Skóra
Stosowane terapie:
Autoprzeszczepy
Alloprzeszczepy
Inżynieria tkankowa
Używane produkty - formy:
PLA/PGA
(
Dermagraft
TM
, ATS
)
Glycosaminoglycan matrix +
RGD
(
INTEGRA
®
, Integra Life
Sciences
)
Bovine collagen matrix
(
Apligraft
TM
, Organogenesis; OrCel
TM
,
Ortec - epidermal + dermal cells +
growth factors
)
Soczewki
3 podstawowe materiały - PMMA, akryl,
silikon
rusztowania
http://web.mit.edu/cortiz/www/cartilage.html
Polimerowe konstrukcje
Kształt nosa. Na polimerze osadzone są
komórki zwane chondrocytami – chrząstki.
Narastająca tkanka odtwarza kształt nosa
tworząc odpowiedni implant.