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.