Biomateriały

Biomateriały

2009/2010

Wykład I

Zakres tematyczny wykładów

Zakres tematyczny wykładów

 Rys historyczny, podstawowe pojęcia (biomateriał,

biozgodność), podział biomateriałów.

 Reakcja tkanek na ciało obce. Zjawiska na granicy

faz.

 Metody badań w inżynierii biomateriałów.

 Badania normowe, badania kliniczne

 Metale – charakter wiązań, właściwości. Rodzaje

metali stosowanych w medycynie. Wady i zalety

stosowania biomateriałów metalicznych.

 Polimery - charakter wiązań, właściwości. Rodzaje

polimerów stosowanych w medycynie. Wady i zalety

stosowania biomateriałów polimerowych.

 Ceramika - charakter wiązań, właściwości. Podział

ceramiki stosowanej w medycynie. Wady i zalety

stosowania biomateriałów ceramicznych.

Zakres tematyczny wykładów

Zakres tematyczny wykładów



Węgiel w medycynie – podstawowe

właściwości, otrzymywanie, biologiczne

właściwości węgla. Rodzaje węgli stosowanych

w medycynie (węgiel aktywny, inertny).



Kompozyty i nanokompozyty – rodzaje

kompozytów, kompozyty w medycynie.



Inżynieria tkankowa – materiały dla inżynierii

tkankowej.



Materiały dla sterowanej regeneracji tkanek.

TRANSPLANTACJA

TRANSPLANTACJA

• Czyli przeszczepienie tkanki lub

organu w obrębie tego samego
organizmu lub dwóch różnych

• Konieczna w przypadku niewydolności

nerek, serca, wątroby, uszkodzenia
szpiku, wrodzonych niedoborów
odporności, niektórych nowotworach

Ze względu na różnice genetyczne

Ze względu na różnice genetyczne

wyróżniamy przeszczepy:

wyróżniamy przeszczepy:

• autologiczny – dawca i biorca to te

same osoby

• izogeniczny – identyczne

genetycznie osobniki tego samego

gatunku np. bliźnięta

monozygotyczne

• allogeniczny – różne genetycznie

osobniki tego samego gatunku

• ksenogeniczny – osobniki różnych

gatunków

IMPLANTACJA

IMPLANTACJA

Czyli wszczepienie sztucznego

tworzywa (biomateriał) w obręb

tkanki w celu jej zastąpienia,

przywrócenia ciągłości (zespolenia),

przejęcia funkcji, wywołania procesu

jej regeneracji lub wywołania innych

procesów mających na celu ratowanie

zdrowia, życia lub poprawę jego

komfortu.

Implanty – wszczepy

Implanty – wszczepy

z czego je się wykonuje?

z czego je się wykonuje?

• Metali i ich stopów (stal, tytan, stopy)
• Polimerów; sztuczne i biopolimery

(resorbowalne, trwałe, hydrożele)

• Ceramiki (spiekane tlenki, HAp, bioszkło)
• Węgla (pokrycia, włókna, węgiel aktywny)
• Kompozytów

Materiał

Zalety

Wady

Przykłady

Polimery

Elastyczność,

łatwość w

formowaniu

Ulega deformacji

w czasie,

Może ulegać

degradacji

Nici chirurgiczne,

naczynia

krwionośne,

panewka stawu

biodrowego,

wypełnienia ubytków

tkanek miękkich,

inżynieria tkankowa

Metale

Trwałość,

tough ductile

Może ulegać

korozji, gęsty,

trudny w obróbce

Elementy stawów,

korzenie zębowe,

płytko i gwoździe

zespalające

Ceramika

Wysoce

biozgodne

Krucha,

nieodkształcalna,

nieodporna na

rozciąganie

Implanty zębowe i

ortopedyczne,

wypełnienia ubytków

tkanki kostnej

Kompozyt
y

Możliwość

sterowania

właściwościami

, trwałe

Trudne w

wytworzeniu

Elementy sztucznych

stawów, płytki i

gwoździe

zespalające

Materiały stosowane w medycynie

Materiały stosowane w medycynie

DEFINICJE

DEFINICJE

Inżynieria Biomateriałów

Inżynieria Biomateriałów

Inżynieria Biomateriałów

Interdyscyplinarna dziedzina wiedzy

zajmująca się projektowaniem,

wytwarzaniem i optymalizacją

materiałów dla medycyny.

BIOMATERIAŁ

BIOMATERIAŁ

Biomateriał to każda substancja, inna

niż lek lub kombinacja substancji

syntetycznych i naturalnych, która

może być użyta w dowolnym okresie,

a której zadaniem jest uzupełnienie

lub zastąpienie narządu, albo jego

części lub przejęcie czasowe lub na

stałe jego funkcji.

•Biomateriał

– To materiał syntetyczny lub pochodzenia naturalnego

stosowany w urządzeniach przeznaczonych do kontaktu z
układem biologicznym;

– Jest stosowany do otrzymywania urządzeń, elementów

służących do częściowego lub całkowitego zastąpienia
funkcji narządu w sposób bezpieczny, niezawodny,
ekonomiczny i akceptowalny fizjologicznie.

•Zapotrzebowanie na biomateriały wynika z ograniczoności w
leczeniu wielu chorób, uszkodzeń dostępnymi metodami oraz z
ograniczonej ilości transplantów:

– Zastąpienie części ciała (narządu) na skutek utraty jego

funkcji (staw biodrowy, kolanowy, serce)

– Korekta wad (kręgosłup)
– Poprawa funkcji (rozrusznik serca, stenty)
– Wspomaganie leczenia (nici chirurgiczne, uwalnianie

leków)

Biomateriały – pierwsza generacja

Biomateriały – pierwsza generacja

• Materiały dobierane przypadkowo
• Sukcesy przypadkowe a nie planowane
• Przykłady;
Drewno, złoto, stal, kość słoniowa,

sztuczne naczynia krwionośne
wykonane z materiałów,
przeznaczonych na spadochrony
np.nylon.

Biomateriały – druga generacja

Biomateriały – druga generacja

• Zaawansowane materiały zapożyczone z

innych dziedzin

• Implanty, projektowane dla medycyny
• Współpraca lekarzy i inżynierów
Przykłady;
Stopy tytanu, kobalt- chrom, molibden,

polietylen wysoko-cząsteczkowy,
bioceramika, sztuczny staw biodrowy,
rozrusznik serca.

Biomateriały – trzecia generacja

Biomateriały – trzecia generacja

sterowana regeneracja tkanek

sterowana regeneracja tkanek

Bioinżynieria materiałów, materiały

projektowane w celu wywoływania
określonej reakcji komórkowej,
bioinżynieria powierzchni, biomimetyczna
mikrostruktura.

Przykłady;
Integra – sztuczna skóra, resorbowalny

cement kostny, technika GBR w
stomatologii i leczeniu ubytków chrząstki i
kości.

Biomateriały – najnowszej

Biomateriały – najnowszej

generacji

generacji

• Narządy hybrydowe, immunoizolacja

komórek

• Biosensory, nośniki leków i genów
• Podłoża 3D do hodowli tkanek – inżynieria

tkankowa

• Nanotechnologie, nowe materiały i

technologie, nanomedycyna, medycyna

regeneracyjna.

• Rodzaj tkanek do jakich są

przeznaczone

( kość, chrząstka..)

• Reakcję pomiędzy tkanką i

biomateriałem

(inertne,

resorbowalne, degradowalne)

• Dziedzina medycyny

(implanty dla

okulistyki, laryngologii, stomatologii,
chirurgii kostnej, kardiochirurgii…)

• Czas kontaktu z tkankami

(czasowe,

permanentne)

Klasyfikacja i podział biomateriałów

Klasyfikacja i podział biomateriałów

ze względu na:

ze względu na:

Kliniczny podziała biomateriałów

Kliniczny podziała biomateriałów

• Implanty mechaniczne –

endoprotezy stawów, płytki,

śruby, gwoździe, stabilizatory dla osteosyntezy kości.

• Materiały do zespalania tkanek –

nici chirurgiczne,

cementy i kleje tkankowe.

Kliniczny podziała biomateriałów

Kliniczny podziała biomateriałów

• Implanty przeznaczone do kontaktu

z krwi –

stenty, zastawki serca,

sztuczne naczynia krwionośne.

• Materiały do leczenia ubytków

tkanek –

implanty w formie gąbek

lub włóknin, przeznaczone do
wypełniania ubytków.

Kliniczny podziała biomateriałów

Kliniczny podziała biomateriałów

• Nośniki leków, materiały do enkapsulacji

komórek

– ceramiczne lub polimerowe kształtki

zawierające lek umieszczane w chorej tkance

pozwalające na miejscowe dostarczanie leku do

tkanki. Polimerowe porowate struktury

odizolowujące zdrowe komórki (wprowadzane do

chorego narządu) przed działaniem obronnym

komórek gospodarza.

• Podłoża dla inżynierii tkankowej i terapii

genowej, materiały dla medycyny

regeneracyjnej –

trójwymiarowe podłoża,

zaopatrzone w bioaktywne czynniki, zasiedlane

przez komórki

Wymagania stawiane implantom

Wymagania stawiane implantom

(wszczepom)

(wszczepom)

•

Biozgodność (biokompatybilność);

•

Biofunkcyjność;

•

Biozgodność mechaniczna, biozgodność

mikrostrukturalna, biozgodność

chemiczna, elektryczna, magnetyczna…

BIOZGODNOŚĆ

BIOZGODNOŚĆ

Biomateriał jest

biozgodny

jeżeli nie

wywołuje w tkankach działania:

•         drażniącego
•         immunologicznego
•         alergicznego
•         kancerogennego

Co wpływa na biozgodność

Co wpływa na biozgodność

materiału

materiału

Czynniki wpływające na biozgodność materiałów

Skład materiału, mikro- (lub nano-) struktura,

morfologia
Krystaliczność

Stała sprężystości

Zawartość wody, stopień

hydrofilowości/hydrofobowości

Makro-, mikro-, nano- porowatość

Skład chemiczny powierzchni

Topografia powierzchni
Energia powierzchniowa

Właściwości elektryczne powierzchni
Korozja, uwalniane jony, toksyczność jonów metali

Stopień degradacji, produkty degradacji i ich
toksyczność

Substancje wymywalne, dodatki, katalizatory,

zanieczyszczenia i ich toksyczność

Produkty powstałe na skutek zużycia/ścierania

materiałów

Co wpływa na biozgodność materiału

Co wpływa na biozgodność materiału

Główne czynniki wyznaczane w czasie oceny

biozgodności

Charakterystyka adsorpcji i desorpcji białek

Efekty cytotoksyczne
Aktywacja neutrofili

Aktywacja makrofagów, produkcja komórek

olbrzymich wokół ciała obcego, formowanie tkanki

ziarninowej

Obecność tkanki włóknistej

Zmiany naczyniowe

Właściwa odpowiedź tkankowa
Aktywacja układu krzepnięcia

Adhezja płytek krwi
Aktywacja układu dopełniacza

Produkcja przeciwciał, odpowiedź komórek
odpornościowych

Reakcje mutagenne, genotoksyczność

Tworzenie nowotworów

BIOZGODNOŚĆ I BIOFUNKCYJNOŚĆ

BIOZGODNOŚĆ I BIOFUNKCYJNOŚĆ

Biozgodność

to zdolność materiału do

wywoływania odpowiedzi

gospodarza, zgodnej z

przeznaczeniem implantu.

Charakter odpowiedzi środowiska

biologicznego decyduje o biozgodności

materiału

Biofunkcyjność

to zdolność materiału

do przejmowania funkcji tkanek i

narządów, do leczenia których został

zastosowany

Przyczyny rozwoju biomateriałów

Przyczyny rozwoju biomateriałów

Przyczyny rozwoju:

•

wzrastające zapotrzebowanie na

materiały implantacyjne;

•

„urazowość” życia (rozwój cywilizacji,

klęski żywiołowe);

•

wydłużenie ludzkiego życia;

•

ograniczenia transplantologii;

•

choroby cywilizacyjne.

Przykłady zastosowania

Przykłady zastosowania

biomateriałów

biomateriałów

Organ/tkanka

Przykłady

Serce

Oczy

Ucho

Kość

Nerka

Rozrusznik serca, sztuczne zastawki

serca, sztuczne serce

Soczewki kontaktowe, soczewki

wewnątrzgałkowe

Sztuczne strzemiączko, im plant

cochlera (ślimakowy)

Stabilizatory płytkowe, gwoździe śród

szpikowe, protezy stawów, cementy

kostne, wypełnienia ubytków kostnych

Urządzenia do dializy

Mięśnie

Układ krwionośny

Skóra
Układ

wewnątrzwydzielnicz

y

Nerwy

Nici chirurgiczne, stymulatory mięśni

Sztuczne naczynia krwionośne

Opatrunki, sztuczna skóra

Enkapsulacja wysp trzustkowych

Implanty do regeneracji nerwów

Rys historyczny

Rys historyczny

Historia starożytna



2500pne Egipcjanie, Rzymianie, Chińczycy i

Aztekowie



Drzewo, złoto, kość słoniowa, kamienie

szlachetne, muszle, kości zwierząt –

zastępowanie i uzupełnianie ubytków w

tkance kostnej

Rys historyczny

Rys historyczny



Nici lniane i pochodzenia zwierzęcego,

srebrne, metalowe, rozpowszechnione w

średniowieczu;



Leonardo Da Vinci 1508-opracowanie idei

soczewek kontaktowych, Adolf Fick 1860

–pierwsze eksperymenty na zwierzętach i

próby z zastosowaniem u ludzi



1700 – zastępowanie ubytków zębów

zębami pobranymi od dawców – problem z

odpowiedzią immunologiczną;



Hallowell 1759 – połączenie zranionej

arterii przy pomocy drzewa i nici



1800 – złoto, platyna i inne stopy metali w uzupełnieniu

ubytków zębów;



Wprowadzenie aseptyki do praktyki klinicznej-1860



1904 – 1926 –stalowe śruby , druty , płytki do łączenia

kości



1938 – pierwsza proteza stawu biodrowego (P. Wiles);



1940 – polimery w medycynie: PMMA w leczeniu

ubytków kostnych, celuloza w dializie, nylonowe nici

chirurgiczne

Rys historyczny

Rys historyczny

Rys historyczny

Rys historyczny



Po II wojnie światowej – epoka

chirurgów bohaterów



Sir Harold Ridley – soczewki

wewnątrzgałkowe



T.Gluck, M.N. Smith-Petersen,

J.Charnley – protezy stawu biodrowego



1942 - A.Carrel, Blackmore pierwsze

protezy naczyń



1949 - J.Hopps rozrusznik serca



1952 - C.Hufnagel zastawka serca



1964 - J.Gibbon płuco serce



1967 (w Rosji 1930)- W. Kloff sztuczne

serce, wszczepione w 1982

Rys historyczny

Rys historyczny



Sześćdziesiąte lata XX – powstanie
dziedziny inżynieria biomateriałów



Wprowadzenie oprócz metali i ich
stopów materiałów polimerowych,
ceramicznych, węglowych i ich
kompozytów do konstrukcji materiałów
medycznych

Rynek biomateriałów

Rynek biomateriałów

Spodziewana wartość światowego

rynku biomateriałów

w 2014r to 58,1 bilionów $ - o ok.

15% więcej niż w 2009r

2008 – biomateriały dla ortopedii stanowiły

największą część światowego rynku

biomateriałów (9,8 biliona $);

2014 – przewiduje się, że biomateriały dla

układu sercowo-naczyniowego stanowić

będą dominującą część światowego rynku

biomateriałów (20,7 bilionów $)

Global Biomaterial Market (2009-2014)

www.marketsandmarkets.com

• Rynek USA jest największym rynkiem

biomateriałów na świecie: szacowana
wartość na 2014 to 22,8 biliona $ o
13,6% więcej niż w 2009.

• Rynek europejski drugi co do wielkości

rynek biomateriałów na świecie:
szacowana wartość na 2014 to 17,7
biliona $ o 14,6% więcej niż w 2009;

• Rynek azjatycki szacowany wzrost do

roku 2014 to 18,2%

Rynek biomateriałów

Rynek biomateriałów

Global Biomaterial Market (2009-2014)

www.marketsandmarkets.com

Organizacje regulujące aspekty

Organizacje regulujące aspekty

prawne, normy, procedury dot. badań i

prawne, normy, procedury dot. badań i

wprowadzania wyrobów na rynek

wprowadzania wyrobów na rynek

• Food and Drug Administration USA
• The European Agency for the Evaluation of

Medical Products

• Polski Komitet Normalizacji - tłumaczenie

norm ISO

• Norma pt. Biologiczna ocena Wyrobów

Medycznych tożsama z ISO 10993

• Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego
• Zakład Badania Biomateriałów AM Wrocław

Zagadnienia

• Podstawowe definicje; biomateriał, biozgodność,

biofunkcyjność.

• Biozgodność – jakie cechy materiału syntetycznego

mogą wpływać na jego biozgodność?

• Implantacja i transplantacja

• Inżynieria biomateriałów jako dziedzina wiedzy –

przyczyny rozwoju, zakres zainteresowań,

interdyscyplinarność

• Inżynieria biomateriałów – rys historyczny, ewolucja

biomateriałów w ubiegłym stuleciu.

• Rodzaje tworzyw wykorzystywane w inżynierii

biomateriałów

• Przykłady implantów dla różnych dziedzin medycyny