plik

8.6. Materiały biomedyczne
i biomimetyczne

8.6.1. Ogólne pojęcia i klasyfikacja biomateriałów

KLASYFIKACJA IMPLANTÓW I INNYCH URZĄDZEŃ MEDYCZNYCH

Troska o poprawę jakości życia oraz poprawę jego warunków, a także elimino-

wanie społecznych skutków inwalidztwa, stały się jednymi z głównych przesłanek
konstruowania programów rządowych, jak również Unii Europejskiej i wielu in-
nych organizacji międzynarodowych. Działania te wiążą się zarówno z postępem
w medycynie diagnostycznej i klinicznej, jak również z licznymi dokonaniami in-
terdyscyplinarnymi w wielu dziedzinach nauki i techniki. Niewątpliwie bardzo
ważną rolę w postępie w tym zakresie odgrywają badania naukowe jak i prace tech-
niczne i wdrożeniowe dotyczące materiałów inżynierskich, które znajdują zastoso-
wanie na implanty i inne urządzenia medyczne, zwanych biomateriałami.

Kryteria klasyfikacji urządzeń medycznych obejmują:
kontakt lub oddziaływanie z organizmem,
kontakt ze zranioną skórą,
kontakt z organami wewnętrznymi (np. sercem, układem krążenia),
inwazyjną naturę w odniesieniu do otworów w organizmie,
implantację do organizmu,
oddawanie energii lub substancji do organizmu,
okres stosowania.
Ze względu na okres stosowania urządzenia medyczne dzieli się na:
przejściowe (<60 minut),
krótkoterminowe (<30 dni),
długoterminowe (>30 dni).
Ze względu na stopień inwazyjności wyróżnia się natomiast:
urządzenia inwazyjne (penetrujące w głąb organizmu przez otwór w organi-
zmie lub przez jego powierzchnię), w tym:
— chirurgiczne (w wyniku zabiegu chirurgicznego wprowadzane do wnętrza or-

ganizmu lub pod jego powierzchnię),

— wszczepiane (przeznaczone do całkowitego wprowadzenia do wnętrza orga-

nizmu lub do zastąpienia powierzchni nabłonkowej lub powierzchni oka
w wyniku interwencji chirurgicznej),

instrumenty chirurgiczne,
aktywne urządzenia medyczne – których działanie zależy od przetwarzania
energii zasilającej innej niż bezpośrednio generowana przez organizm lub gra-
witację,
aktywne urządzenia terapeutyczne,
aktywne urządzenia diagnostyczne.

1277

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1277

Implantami są wszelkie przyrządy medyczne umieszczane na dłuższy czas we-

wnątrz organizmu, lub częściowo albo całkowicie pod powierzchnią nabłonka. Za-
potrzebowanie na implanty jest związane ze znacznym postępem i rozwojem róż-
nych dziedzin chirurgii rekonstrukcyjnej i zabiegowej oraz protetyki. Można wy-
różnić:

implanty chirurgiczne (umieszczane w zamierzonym miejscu w organizmie me-
todami chirurgicznymi),
inne implanty (przykładowo igły, dreny, sączki),
protezy implantowane (protezy wewnętrzne lub endoprotezy fizycznie zastępu-
jące organ lub tkankę),
sztuczne organy (zastępujące w całości lub częściowo funkcję jednego z głów-
nych organów, często w sposób nie anatomiczny).
Ze względu na dziedziny medycznego zastosowania lub konkretnego umiejsco-

wienia w organizmie wśród implantów można wydzielić:

ortopedyczne (stosowane by wspomóc, zastąpić lub uzupełnić tymczasowo lub
na stałe kość, chrząstkę, więzadła, ścięgna lub powiązane z nimi tkanki) (rys.
8.327),
ustne  (stosowane  w celu  poprawy,  zwiększenia  lub  zastąpienia  jakiejkolwiek
twardej  lub  miękkiej  tkanki  w jamie  ustnej,  obejmujące  szczękę,  żuchwę  lub
staw skroniowo–żuchwowy),
czaszkowo–twarzowe  (stosowane  w celu  poprawienia  lub  zastąpienia  tkanek
twardych lub miękkich w obszarze czaszkowo–twarzowym z wyjątkiem mózgu,
oczu i ucha wewnętrznego),
dentystyczne (stosowane do uzupełniania ubytków zębów).

Projektowanie implantu rozpoczyna się

od  ustalenia  jego  postaci  geometrycznej  na
podstawie uwarunkowań anatomiczno–fizjo-
logicznych oraz techniki operacyjnej lub za-
biegowej  przewidywanej  do  zastosowania.
Uwzględnia  się  przy  tym  cechy  antropome-
tryczne  szerokiej  populacji  pacjentów,  zwy-
kle  projektując  typoszereg  wymiarowy  (np.
dla  dorosłych,  dzieci,  mężczyzn,  kobiet,
z uwzględnieniem wieku, masy ciała). Anali-
za  stanu  naprężeń  i przemieszczeń  w ukła-
dzie implant–tkanki stanowi podstawę dobo-
ru  własności  mechanicznych  stosowanych
biomateriałów. Ponadto uwzględnia się wza-
jemne  powiązania  na  styku  biomateriał-
–tkanka–płyn ustrojowy, zależne od własno-
ści  fizykochemicznych  i struktury  fazowej
biomateriału,  a także  reakcje  odczynowe
i immunologiczne oraz biotolerację implantu
w środowisku tkanek i płynów ustrojowych.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1278

Rysunek 8.327

Schemat endoprotezy stawu biodrowego

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1278

BIOMATERIAŁY I ICH KLASYFIKACJA

Biomateriały to substancje różne od leków lub kombinacji substancji syntetycz-

nych albo naturalnych, które mogą być użyte jako część lub całość systemu, zastę-
pującego tkanki lub organ albo pełniącego jego funkcje.

Biomateriały cechują się wymaganą biotolerancją (biokompatybilnością), czyli

zgodnością biologiczną i harmonią interakcji z żywą materią. Biomateriały o wy-
maganej biotolerancji po wprowadzeniu do organizmu nie wywołują ostrych lub
chronicznych reakcji albo stanu zapalnego otaczających tkanek.

W tablicy 8.146 przykładowo podano kryteria jakości biomateriałów, obejmują-

ce zespół wymagań stawianych implantom.

Wyróżnia się następujące grupy biomateriałów:
metalowe,
ceramiczne,
węglowe,
polimerowe,
kompozytowe.

8.6.2. Przegląd głównych grup biomateriałów

KLASYFIKACJA BIOMATERIAŁÓW METALOWYCH

Wyróżnia się następujące grupy biomateriałów metalowych:
stale Cr–Ni–Mo, o strukturze austenitycznej,
tytan i jego stopy,
stopy na osnowie kobaltu,
tantal, niob i ich stopy,
metale szlachetne.
Szczególną grupę biomateriałów metalowych stanowią ponadto stopy z pamię-

cią kształtu (porównaj rozdz. 7.3.11).

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1279

Tablica 8.146

Kryteria jakości biomateriałów metalowych stosowanych w alloplastyce (według H.J. Racka)

Własności mechaniczne

Własności technologiczne

Biotolerancja

•wytrzymałość na rozciąganie
•granica plastyczności
•wytrzymałość zmęczeniowa
•twardość
•odporność na ścieranie
•sztywność
•plastyczność (wydłużenie, przewężenie)
•ciągliwość (odporność na kruche

pękanie)

•zapewnienie założonej jakości
biomateriału
•zapewnienie wymaganej jakości

powierzchni i implantu

•przydatność materiału i produktu do
efektywnej sterylizacji
•minimalne koszty wytwarzania

•reakcje z tkankami i płynami

ustrojowymi

•stabilność własności:
– mechanicznych
– fizycznych
– chemicznych
•degradacja związana z:
– uszkodzeniami lokalnymi implantu

(zmiany szkodliwe)

– systematycznymi efektami korozyjnymi

(szkodliwe uszkodzenia)

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1279

WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE BIOMATERIAŁÓW METALOWYCH

W tablicy 8.147 przedstawiono składy chemiczne typowych stopów przezna-

czonych na implanty, natomiast w tablicy 8.148 porównano podstawowe ich wła-
sności mechaniczne. W tablicy 8.149 przedstawiono rodzaje implantów, które mo-
gą być wytworzone ze stali Cr–Ni–Mo.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1280

Tablica 8.147

Skład chemiczny typowych stopów przeznaczonych na implanty

Podstawo-

wy pier-

wiastek

Rodzaj stopu, norma

Stężenie masowe pierwiastków

, %

inne

Żelazo

X2CrNiMo18–14–3
(D) PN-ISO 5832-1

≤0,03

≤1

≤2

reszta

–

19 2,3

3,5 13

–

Cu ≤0,5

Tytan

ISO 5832-2

≤0,1

–

≤0,5

–

reszta

–

TiAl6V4

ISO 5832-3

≤0,08

–

≤0,3

–

3,5

4,5 reszta

Al:

5,5

6,7

Kobalt

CoCr28Mo6
ISO 5832-4

≤0,35

≤1

reszta 26,5

30 4,5

2.5

–

CoCr20W15Ni10
ISO 5832-5

≤0,15

≤1

≤2

≤3

reszta

–

CoNi35Cr20Mo10
ISO 5832-6

≤0,025 ≤0,15

≤0,15

≤1

reszta

10,5 33

–

≤1

–

P ≤0,015

0,025, S ≤0,01

0,015;

≤0,05, O

≤0,05, H

≤0,015.

Tablica 8.148

Własności mechaniczne typowych stopów przeznaczonych na implanty

Rodzaj stopu,

norma

Stan

Wytrzymałość
na rozciąganie

min., MPa

Granica

plastyczności

p0,2

min., MPa

Wydłu-

żenie

A min., %

Moduł spręży-

stości wzdłużnej

E, GPa

Wytrzymałość

zmęczeniowa

, MPa

X2CrNiMo18–14–3
(D) PN-ISO 5832-1

przesycony

490

190

240

po obróbce plastycznej
na zimno

860

690

200

410

Ti
ISO 5832-2

przesycony

240

550

170

440

110

250

po obróbce plastycznej
na zimno

680

400

TiAl6V4
ISO 5832-3

przesycony

860

1000

220

500

CoCr28Mo6
ISO 5832-4

odlewany

665

450

200

250

CoCr20W15Ni10
ISO 5832-5

odlewany

860

310

220

200

CoNi35Cr20Mo10
ISO 5832-6

przesycony

800

300

250

po obróbce plastycznej

1200

1000

220

500

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1280

BIOMATERIAŁY NA NARZĘDZIA I PRZYRZĄDY MEDYCZNE

Na narzędzia i przyrządy medyczne stosuje się stale o strukturze martenzytycznej,

ferrytycznej i austenitycznej, podane w tablicy 8.150 (według PN-EN ISO 7153-
1:2002U). Własności mechaniczne stali na narzędzia i przyrządy medyczne przedsta-
wiono w tablicy 8.151, a w tablicy 8.152 podano zalecane zastosowania tych stali.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA I KLASYFIKACJA

BIOMATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

Biomateriały ceramiczne, cechują się odmiennymi własnościami od biomateria-

łów metalowych, do których można zaliczyć:

porowatość, umożliwiającą wrastanie tkanek i trwalsze połączenie tkanek z im-
plantami,
większą odporność na ścieranie oraz wytrzymałość na ściskanie,
większą odporność korozyjną w środowisku tkanek i płynów ustrojowych,
większą biotolerancję.
Wśród biomateriałów ceramicznych dla potrzeb chirurgii można wyróżnić trzy

kategorie materiałów:

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1281

Tablica 8.149

Rodzaje implantów wytwarzanych z niektórych stali Cr–Ni–Mo

Rodzaj implantów

Igły śród-

szpikowe

Płytki kostne

Śruby ko-

stne, nakrę-

tki do śrub

kostnych

Groty

i druty
kostne

Igły

kostne

okrą-

głe

Igły

udowe

Druty

kostne

Endo--

protezy

Postać materiału

Znak stali

Stan materiału

X2CrNiMoN18–13–3
X2CrNiMo18–15–3

przesycony

walcowany,
R

860 MPa

na zamówienie

X2CrNiMo18–15–4

walcowany,
R

860 MPa

na zamówienie

X2CrNiMnMoN22–13–6

przesycony

na zamówienie

możliwe zastosowanie, nie stosowane.

taśma zimno walcowana

szeroka, blacha

profile specjalne

taśma zimno walcowana

szeroka, blacha

pręty walcowane h 9

∅

8 mm

pręty walcowane

∅

8 mm

pręty walcowane

∅

8 mm

pręty walcowane na gorąco

pręty walcowane h 11

drut

pręty walcowane h 11

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1281

resorbowanych w organizmie,
z kontrolowaną reaktywnością powierzchniową,
obojętne.

BIOMATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIZMIE

Biomateriały ceramiczne resorbowane w organizmie złożone są z hydroksyapa-

tytów i pokrewnych fosforanów wapniowych wytworzonych sztucznie, biorących
udział w metabolizmie i przechodzących do tkanek. Ich skład chemiczny i fazowy
są podobne do faz nieorganicznych występujących w kościach i zębach, są biolo-
gicznie aktywne i cechują się największą możliwą biotoleracją. Podstawowe sole
kwasu ortofosforowego podano w tablicy 8.153.

Związki te mogą być wytwarzane sztucznie, jedną z podanych metod:
mokrą, polegającą na reakcjach zobojętniania kwasów i zasad zachodzących
w wodnych roztworach lub zawiesinach, przykładowo Ca(OH)

, H

lub soli

wapniowych typu CaCl

i Ca(NO

)

fosforem, np. Na

HPO

, (NH

)

HPO

w wyniku czego powstają proszki amorficzne lub drobnokrystaliczne,

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1282

Tablica 8.150

Skład chemiczny stali stosowanych na narzędzia chirurgiczne

Znak stali

Stężenie masowe, %

Stale o strukturze martenzytycznej

0,09

0,15

≤1

≤0,04

≤0,03

11,5

13,5

–

≤1

–

0,16

0,25

≤1

≤0,04

≤0,03

–

≤1

–

0,26

0,35

≤1

≤0,04

≤0,03

–

≤1

–

0,42

0,5

≤1

≤0,04

≤0,03

12,5

14,5

–

≤1

–

0,47

0,57

≤0,5

≤1

≤0,03

≤0,025

13,7

15,2

–

≤0,5

–

0,6

0,7

≤0,5

≤1

≤0,03

≤0,025

13,5

–

≤0,5

–

0,65

0,75

≤1

≤0,04

≤0,03

≤0,5

≤1

–

0,35

0,4

≤1

≤0,045

–

0,4

0,6

–

0,1

0,15

0,42

0,55

≤1

≤0,045

–

0,45

0,6

–

0,1

0,15

0,33

0,43

≤1

≤0,03

1,5

≤1

–

0,85

0,95

≤1

≤0,045

≤0,03

0,9

1,3

–

0,07

0,12

Stale o strukturze ferrytycznej

≤0,08

≤1

≤1,5

≤0,06

0,015

0,035

≤0,06

≤1

–

Stale o strukturze austenitycznej

≤0,07

≤1

≤2

≤0,045

≤0,03

–

≤0,12

≤1

≤2

≤0,06

0,015

0,035

–

≤0,15

≤1

≤2

≤0,045

≤0,03

–

≤0,07

≤1

≤2

≤0,045

≤0,03

16,5

18,5

2,5

10,5

13,5

–

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1282

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1283

Tablica 8.152

Zalecane zastosowania stali na narzędzia chirurgiczne

Znak stali

Instrumentarium tnące

Instrumentarium nietnące

Osprzęt

–

kleszcze weterynaryjne,
kleszcze do odłamów, haki
chirurgiczne, sondy, pincety

podkładki nity, igły na-
kłuwające, śruby, nakrętki

odgryzacze kostne, nożyce do kości i żeber,
kostołomy, dłuta i żłobaki, skrobaki

kleszcze, kleszcze
specjalistyczne, haki, sondy,
kleszcze dentystyczne

igły, śruby, podkładki,
nakrętki

nożyczki, odgryzacze kostne, nożyczki do
kości i żeber, kostołomy, skalpele, noże,
dłuta, żłobaki, skrobaki, ostre łyżki, nożyce
dentystyczne, noże dentystyczne

dentystyczne pincety, kleszcze

–

nożyczki, odgryzacze kostne, nożyce do cięcia
kości i żeber, kostołomy, skalpele, noże, noże
dentystyczne, dłuta i żłobaki, nożyce do drutu,
skrobaki dentystyczne

kleszcze dentystyczne,
instrumenty do plombowania
i ekstrakcji

–

skalpele

–

skalpele

–

skalpele, noże, dłuta, żłobaki

–

Tablica 8.151

Własności mechaniczne niektórych stali przeznaczonych na narzędzia i przyrządy medyczne

Znak stali według

PN-EN ISO

7153-1:2002U

Wytrzymałość

na rozciąganie

, MPa

Granica

plastyczności R

p0,2

), MPa

Wydłużenie

A, %

Twardość

Stan stali

Stale o strukturze martenzytycznej

≤720

650

800

–

≥450

–

≥15

≤200

–

wyżarzony
ulepszony

≤740

650

800

750

950

–

≥450
≥550

–

≥15
≥13

≤230

–
–

wyżarzony

ulepszony

≤900

800

900

–

≥600

–

≥14

≤280
≤235

wyżarzony
ulepszony

≤900

–

–
–

–

≥58 HRC

wyżarzony
hartowany

Stale o strukturze austenitycznej

700

850

≥350

≥20

–

zgnieciony
na zimno

800

1000

≥500

≥12

–

1000

1200

≥750

–

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1283

suchą, w której w stanie stałym w temperaturze wyższej od 900°C zachodzą re-
akcje CaHPO

⋅

O i CaCO

lub Ca

i CaCO

, a w wyniku tego powsta-

je drobnoziarnisty hydroksyapatyt z dużym udziałem fazy krystalicznej,
hydrotermalną, w której z CaHPO

lub CaHPO

⋅

O, w temperaturze

120

300°C i przy ciśnieniu pary wodnej 0,2

8,5 MPa powstają duże kryształy

(do 10 mm),
topnikową, w której między mieszaniną sproszkowanego wapna i fosforu oraz
topników B

, CaF

i CaCl

z udziałem fazy ciekłej powstają duże kryształy

apatytu,
zol–żel, w której w wyniku hydrolizy alkoholanów lub soli i następnej konden-
sacji powstają proszki, włókna lub cienkie warstwy hydroksyapatytu.
W celu dalszego zbliżenia struktury chemicznej i fazowej syntetycznego hy-

droksyapatytu do właściwej dla kości i zębów, wprowadza się do nich CO

2–

, Mg

lub SiO

Na strukturę tych materiałów wpływ wywierają metody i warunki technologicz-

ne. Własności mechaniczne zależą z kolei od gęstości, porowatości i wielkości
ziarn. Przykładowo porównano je z odpowiednimi własnościami kości i szkliwa
w tablicy 8.154.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1284

Tablica 8.152

(ciąg dalszy)

Znak stali

Instrumentarium tnące

Instrumentarium nietnące

Osprzęt

noże, kleszcze do odłamów kostnych, kostołomy,
dłuta i żłobaki, nożyce do kości, nożyce do drutu

–

nożyce, odgryzacze kostne, kleszcze do odłamów
kostnych, skalpele, nożyce do kości, kostołomy,
skalpele, nożyce do drutu

–

dłuta i żłobaki, skrobaki kostne

–

śruby, nakrętki, elementy
nakłuwające

–

dystraktory, podtrzymaki
moletkowe

narzędzia ręczne, elementy
nakłuwające, śruby, nakrętki

kleszcze kostne, dłuta, żłobaki

sondy

–

narzędzia dentystyczne
i badawcze

nity, śruby, nakrętki

–

śruby, nakrętki

skrobaki do kości, dłuta, skrobaki dentystyczne

instrumenty do plombowania,
narzędzia dentystyczne,
instrumenty do laboratorium
ortodontycznego

–

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1284

Hydroksyapatyty mogą być łączone w kompozyty z kalogenem lub polimerami

biodegradowalnymi, także mogą być nanoszone głównie metodą napylania pla-
zmowego, ale również elektroforezy, CVD i PVD, rozpylania jonowego i osadzania
elektrochemicznego, na powierzchnie implantów długotrwałych z biomateriałów
metalowych, np. endoprotez stawowych lub wszczepów stomatologicznych.

BIOMATERIAŁY CERAMICZNE

Z KONTROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W TKANKACH

Biomateriały ceramiczne hydroksyapatytowe przez strefę międzywarstwową łą-

czą się z tkanką kostną. Stosowane są do uzupełniania ubytków miazgi zębowej
i szkliwa, ubytków kostnych w szczęce i żuchwie lub dnie oczodołu, a w postaci
warstw powierzchniowych na długotrwałe endoprotezy stawowe i wszczepy stoma-
tologiczne.

Do biomateriałów ceramicznych z kontrolowaną reaktywnością w tkankach na-

leżą bioszkła i materiały bioszklano–ceramiczne, spełniające następujące warunki:

reaktywne powierzchnie zawierają Ca

i PO

3–

i cechują się odczynem alkalicz-

nym,
stężenia pierwiastków mieszczą się w zakresie zapewniającym wymaganą bioto-
lerancję i reaktywność,
połączenia biomateriał–szkło wykazują wymagane własności mechaniczne.

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1285

Tablica 8.153

Klasyfikacja hydroksyapatytów

Nazwa

Symbol

Wzór chemiczny

Dwuwapniowy fosforan dwuhydratowy

DCPD

CaHPO

⋅

Dwuwapniowy fosforan bezwodny

DCPA

CaHPO

Ośmiowapniowy fosforan

OCP

(PO

)

⋅

2,5H

-trójwapniowy fosforan

TCP

(PO

)

Hydroksyapatyt

HAP

(PO

)

(OH)

Czterowapniowy fosforan jednotlenkowy

TCM

(PO

)

Tablica 8.154

Własności mechaniczne hydroksyapatytu, kości korowej oraz szkliwa zębowego
(według Z. Knychalskiej–Karwan i A. Ślósarczyka)

Materiał

Wytrzymałość

na ściskanie R

MPa

Wytrzymałość

na zginanie R

MPa

Wytrzymałość na

rozciąganie R

MPa

Moduł sprężystości

wzdłużnej E,

GPa

Odporność na
kruche pękanie
K

, MPa

⋅

1/2

Biomateriał ceramiczny
hydroksyapatytowy

509

917

113

195

100

0,69

1,16

Kość korowa

164

130

180

114

ok. 16

2,2

4,6

Szkliwo zębowe

270

384

–

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1285

Szkło sodowo–wapniowe (obszar A, rys. 8.328) zawierające 45%SiO

–

(23÷25)%CaO–(24÷25)%Na

O–(1÷10)%P

oraz modyfikatory ZnO, B

i CaF

, wiąże się z kością w ciągu 30 dni. Szkła o małej reaktywności, nietworzące

z kością wiązań, objęte są przez obszar B. Bioszkła objęte obszarem C cechują się
zbyt dużą reaktywnością, natomiast odpowiadające obszarowi D – wiążą się
wprawdzie z kością, lecz nie tworzą właściwych struktur bioszkieł.

W wyniku hydrolizy zachodzącej na powierzchni materiału implantowanego,

jony wapnia i fosforu dyfundują do substancji biologicznej. Jony te przyspieszając
wytwarzanie się tkanki kostnej na styku między biomateriałem a kością, pomagają
w zrośnięciu się implantu z tkanką.

Bioszkła w kontakcie z tkanką kostną zaczynają reagować dosyć szybko. Już po

kilku godzinach jony H

zastępują jony Na

, które dyfundują do płynu tkankowe-

go. Na powierzchni implantu pokrytego bioszkłem tworzy się ciągła warstwa żelu,
na  którym  rozpoczyna  się  akumulowanie  jonów  wapnia  i fosforanowych,  z kolei
powstawanie  wiązań  chemicznych  z żelowatą  krzemionką,  a następnie  na  po-
wierzchni  żelu  krystalizacja  apatytu  o zdefektowanej  strukturze  hydroksyapatytu
węglanowego, zbliżonej do naturalnego apatytu kostnego. Stosowane są bioszkła

o zróżnicowanym składzie chemicznym,
w których głównymi składnikami są SiO

CaO oraz Na

O, a dodatkami mogą być

, F

, MgO, CaF

, CaSiO

(wolastonit),

TiO

, ZrO

a także srebro, węglik krzemu lub

włókna  metalowe,  co  umożliwia  kształtowa-
nie ich własności fizycznych i chemicznych,
a zwłaszcza ich biologicznej aktywności. Re-
gulacja składu chemicznego umożliwia także
regulowanie  ich  rozpuszczalności,  a zatem
także szybkości działania. Te biomateriały są
stosowane  na  pokrycia  implantów  metalo-
wych w ortopedii i stomatologii, oraz do uzu-
pełniania  ubytków  kostnych,  w tym  na  im-
planty do rekonstrukcji ucha środkowego, do
klejenia  kości  oraz  w stomatologii,  zamiast
porcelany.  Pewną  odmianą  bioceramiki  ak-
tywnej  są  wśród  nich  szkła  jonomerowe,
utwardzające  się  pod  wpływem  światła,  za-
wierające  szkło  fluorkowo–glinokrzemiano-
we CaF

–Al

–SiO

z dodatkiem Na

AlF

NaF i niekiedy AlPO

. Ta grupa biomateria-

łów jest stale rozwijana.

BIOMATERIAŁY CERAMICZNE OBOJĘTNE

Biomateriały ceramiczne obojętne wykazują minimalne zmiany chemiczne

w kontakcie z tkankami i płynami fizjologicznymi, a implanty z tych materiałów
są otaczane delikatną kilkumikronową włóknistą tkanką, która nie łączy się che-
micznie z tymi materiałami. Do tej grupy biomateriałów zaliczają się Al

, węgle

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1286

Rysunek 8.328

Wykres równowagi CaO–Na

O–SiO

(według L. Hencha

i E. Ethridgera)

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1286

pirolityczne, azotek lub oksyazotek krzemu, węglik krzemu, tlenki cyrkonu, tytanu
i magnezu oraz spinele MgAl

i Ca

. Spośród tych materiałów najbardziej

przydatny jest tlenek glinu (biokorund), cechujący się wysoką wytrzymałością na
ściskanie, zginanie i ścieranie, które to z kolei własności zależą od jakości zastoso-
wanego surowca oraz technologii. Wymagania dotyczące endoprotez z tego mate-
riału, zgodnie z normą ISO 6474:1978 podano w tablicy 8.155.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA I KLASYFIKACJA

BIOMATERIAŁÓW WĘGLOWYCH

Biomateriały węglowe mają perspektywiczne znaczenie w chirurgii, gdyż ce-

chują się:

dobrą biotolerancją,
atrombogennością i dobrą hemozgodnością,
dobrymi własnościami fizykochemicznymi,
odpornością na promieniowanie jonizujące i niejonizujące.
Biomateriały węglowe można podzielić na:
biomateriały kompozytowe:
— włókna węglowe (carbon fibres),
— biomateriały kompozytowe węgiel–węgiel (carbon–carbon composite),
warstwy węglowe:
— diamentowe (DF – diamond films), zawierające diament nanokrystaliczny,

tetraedryczny i amorficzny o rozmiarach ziarn nieprzekraczających kilku-
dziesięciu nanometrów,

— diamentopodobne (DLC – diamond–like carbon), które są mieszaniną

amorficznego i nanokrystalicznego węgla z przeważającym udziałem dia-
mentu o sieci romboedrycznej lub regularnej, zawierającego wodór z małym
udziałem grafitu, karbinu

(

– zawiera wiązanie acetylenowe –C C–,

– zawiera wiązania kumulenowe =C=C=) (porównaj rozdz. 8.1.7).

Włókna węglowe, biomateriały kompozytowe wzmacniane włóknami węglo-

wymi o osnowie węglowej i węgiel szklisty cechują się dobrą biotolerancją i cha-
rakteryzują się korzystnym zespołem własności mechanicznych (tabl. 8.156) co

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1287

Tablica 8.155

Wymagania dotyczące endoprotez wykonanych z biokorundu

Własność materiału

Minimalne wymagania

Udział Al

≥95,5%

Gęstość pozorna

≥3,9 g/cm

Średnia wielkość ziarna

Moduł sprężystości

ok. 380 GPa

Mikrotwardość

ok. 2300 HV

Wytrzymałość na ściskanie

ok. 4000 MPa

Wytrzymałość na zginanie

≥400 MPa

Odporność na ścieranie

≤0,01 mm

Odporność korozyjna w roztworze Ringera

≤0,1 mg/(m

⋅

doba)

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1287

decyduje o ich zastosowaniu na endoprotezy, elementy do zespalania odłamów
kostnych i uzębienia, sztuczne zastawki serca i protezy więzadeł oraz do operacji
okołostawowych.

Oprócz biomateriałów kompozytowych czysto węglowych zastosowanie znajdu-

ją także biomateriały kompozytowe o osnowie polimerowej wzmacnianej włókna-
mi węglowymi.

Implanty ze stali Cr–Ni–Mo oraz stopów Co z warstwami pasywno–diamento-

wymi, są stosowane w chirurgii rekonstrukcyjnej i zabiegowej. Cechują się dobrą
biotolerancją minimalizującą powikłania odczynowe, dobrą odpornością korozyj-
ną i obojętnością względem środowiska tkankowego.

OGÓLNA KLASYFIKACJA BIOMATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

Biomateriały polimerowe można podzielić na:

naturalne,
syntetyczne.

BIOMATERIAŁY POLIMEROWE NATURALNE

Biomateriały polimerowe naturalne, tzn. białka (kolagen, fibrynogen, jedwab,

wszczepy tkankowe) i wielocukry (celuloza, chityna), są wytwarzane w organi-
zmach żywych jako składniki strukturalne tkanek.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1288

Tablica 8.156

Porównanie własności biomateriałów węglowych z metalowymi i kompozytowymi (według R. Pampucha)

Rodzaj biomateriału

Gęstość

g/cm

Wytrzymałość
na rozciąganie

, MPa

Moduł spręży-

stości wzdłuż-

nej E, GPa

Wytrzymałość

właściwa R

MPa

⋅

/kg

Sztywność

właściwa E/

MPa

⋅

/kg

Węgiel szklisty

1,4

124

0,09

22,8

Wysokowytrzymałe włókna węglowe

1,74

2900

215

1,66

123,6

Włókna węglowe o wysokim module sprężystości

1,95

2200

390

1,12

200

Biomateriały kompozytowe węgiel–węgiel (1D)

1,45

1350

175

0,93

120

Biomateriały kompozytowe węgiel–węgiel (3D)

1,85

250

0,14

48,5

Biomateriały kompozytowe włókno węglowe–
osnowa epoksydowa (1D)

1,56

1400

130

0,9

Biomateriały kompozytowe włókno węglowe–
osnowa epoksydowa (1D) (izotropowe)

1,56

450

0,26

Włókna szklane

2,5

1725

0,69

Biomateriały kompozytowe włókno szklane–
osnowa (1D)

1,9

1400

0,75

22,1

Stopy kobaltu

7,7

1200

220

0,12

28,5

Stopy tytanu

4,5

1000

120

0,1

26,6

Stal Cr–Ni–Mo

7,8

110

210

0,14

26,9

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1288

BIOMATERIAŁY POLIMEROWE SYNTETYCZNE

Biomateriały polimerowe syntetyczne znajdują szerokie zastosowanie, podane

w tablicy 8.157. W tablicy 8.158 podano podstawowe własności fizykochemiczne
tej grupy biomateriałów, a w tablicy 8.159 porównano własności różnych materia-
łów polimerowych stosowanych w medycynie.

BIOMATERIAŁY POLIMEROWE SYNTETYCZNE DO KONTAKTU Z KRWIĄ

Własności tej grupy biomateriałów obejmują głównie hemozgodność (biozgod-

ność z krwią) oraz atrombogenność powierzchni biomateriału (odporność na ak-
tywację mechanizmu krzepnięcia osoczowego).

Wśród biomateriałów polimerowych syntetycznych do kontaktu z krwią wy-

różnia się:

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1289

Tablica 8.157

Zastosowanie biomateriałów polimerowych syntetycznych (według J. Marciniaka)

Rodzaj biomateriału polimerowego syntetycznego

Zastosowanie

Silikony SI

chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna

Politetrafluoroetylen PTFE

protezy naczyniowe, nici chirurgiczne

Poliuretany PUR

elementy sztucznego serca, protezy naczyniowe o małym przekroju

Poli(metakrylan metylu) PMMA

chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna, cewniki, główki i panewki
endoprotez stawowych

Polietylen PE

nici i siatki chirurgiczne

Polipropylen PP

protezy naczyniowe, nici i siatki chirurgiczne

Poli(tereftalan etylenu) PET

ortopedia, soczewki wewnątrzgałkowe

Poliamidy PA

nici i siatki chirurgiczne

Tablica 8.154

Własności fizykochemiczne biomateriałów polimerowych syntetycznych stosowanych na implanty
(według H. Jarosz–Cichulskiej)

Rodzaj biomateriału polimerowego

Wytrzymałość na

rozciąganie R

, MPa

Wydłużenie

A, %

Twardość według skali

Shore’a

Gęstość,

g/cm

Absorpcja

wody, %

Silikony SI

2,4

100

700

A 15

÷Α

1,15

0,1

Politetrafluoroetylen PTFE

200

400

D 50

D 65

2,2

Poliuretany PUR

1000

A 10

D 90

1,05

0,6

0,7

Polietylen PE

1000

D 41

D 70

0,91

0,97

0,01

Polipropylen PP

210

1000

D 74

D 90

0,91

0,05

Poli(metakrylan metylu) PMMA

M 60

M 100

1,2

0,1

0,4

Poli(tereftalan etylenu) PET

280

120

–

2,2

0,8

Poliamidy PA

126

250

550

–

1,14

2,5

7,5

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1289

biomateriały atrombogenne, zwane też biopolimerami konstrukcyjnymi, które
nie stymulują krzepnięcia krwi, w tym poliuretan (PUR), politetrafluoroetylen
(PTFE), poli(tereftalan etylenu) (PET) i silikon (SI),
biomateriały antytrombogenne, które stanowią powłoki osadzane na podłożu
biopolimerów konstrukcyjnych i zapobiegają tworzeniu się zakrzepów krwi,
w tym polihydroksymetakrylan etylenu (PHEMA), polikwas akrylowy (PAA),
poliwinylopirolidon (PVP) i ich kopolimery.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1290

Tablica 8.159

Porównanie własności biomateriałów polimerowych

Materiały polimerowe

Wytrzymałość

na skręcanie

Moduł

sprężystości

Zmęczenie

Smarność

Odporność

na wodę

Absorpcja

wody

Biostabil-

ność

Niedegradowalne

Akryliki

Epoksydy

Fluorowęglany

Hydrożele

Poliacetale

Poliamidy

Poliwęglany

Poliestry

Polieteroketony

Poliimidy

Poliolefiny

Poliolefiny elastomerowe

Poliolefiny krystaliczne

Polisulfony

Poliuretany

Polichlorek winylu

Silikony

Bioabsorbowalne

Polikwas aminowy

Polianhydryty

Polikaprolaktam

Kopolimery laktyd-glikolid

Polihydroksybuturaty

Poliortoestry

Oznaczenia: wysoki, średni, niski, powierzchnia biodegradowalna, zmienne.

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1290

Ta grupa biomateriałów stosowana jest do wytwarzania protez naczyniowych,

nakładek osierdziowych, przetok tętniczo–żylnych, protez zastawek serca oraz izo-
lacji przewodów elektrod wprowadzanych do układu sercowo–naczyniowego,
a także na elementy urządzeń do pozaustrojowego krążenia krwi i jej dializy, jako
materiały sorpcyjne do detoksykacji krwi, na cewniki dosercowe i donaczyniowe
oraz na kaniule do długotrwałych wlewów dożylnych.

POWŁOKI BIOCERAMICZNE I SZKLISTE

NANOSZONE NA IMPLANTY METALOWE

W celu zapewnienia właściwej współpracy implantów ze środowiskiem tkankowym

o cechach piezoelektryków i półprzewodników organicznych, ich własności fizykoche-
miczne mogą być regulowane przez nanoszenie na implantach metalowych powłok:

bioceramicznych, zawierających Al

, ale także kompozycje CaO–Al

CaO–TiO

, CaO–ZrO

, nanoszonych na powierzchnie endoprotez ze stopów

kobaltu lub tytanu metodami metalurgii proszków, implantacji jonowej lub na-
pylania plazmowego,
kompozytowych, ze szkła i biomateriałów ceramicznych powierzchniowo
aktywnych, zawierających Na

O–CaO–SiO

z udziałem P

, CaF

, MgF

lub

/TiO

, resorbowanych w sposób kontrolowany przez tkanki, nanoszonych

na powierzchnie endoprotez,
szklistych, zawierających węgiel, silikonowych lub innych, np. ZrO

, SiN

BaTiO

, stosowanych do pokrywania powierzchni endoprotez,

resorbowanych w organizmie, zawierających uwodniony apatyt o strukturze kry-
stalicznej lub amorficznej (CaHPO

⋅

O, CaHPO

, Ca

H(PO

)

⋅

2,5H

(PO

)

(OH), Ca

(PO

)

(OH), Ca

(PO

)

O) o bardzo dobrej biotolerancji,

nanoszonych na implanty krótkotrwałe i rozpuszczających się w płynach ustro-
jowych, w wyniku czego następuje aktywizacja zrostu kostnego.
Powłoki ceramiczne i szkliste zwiększają także odporność na zużycie trybolo-

giczne, oraz wpływają na zmniejszenie współczynnika tarcia.

BIOMATERIAŁY Z POWIERZCHNIĄ POKRYWANĄ

BIOMATERIAŁAMI KOMPOZYTOWYMI

Biomateriały do długotrwałego użytkowania w chirurgii kostnej, protetyce sto-

matologicznej i kardiochirurgii wytwarzane są jako kompozytowe, w których ele-
mentem nośnym implantu jest biomateriał metalowy lub polimerowy przenoszący
obciążenia mechaniczne, a powierzchnia pokrywana jest biomateriałem kompozy-
towym (tabl. 8.160).

8.6.3. Biomateriały stomatologiczne

ZASTOSOWANIE BIOMATERIAŁÓW W STOMATOLOGII

Do podstawowych biomateriałów stomatologicznych zaliczane są zarówno bio-

materiały metalowe, w tym metale szlachetne, jak złoto, platyna i srebro oraz ich
stopy, a także stopy niklu, kobaltu i żelaza, jak i biomateriały akrylowe, polimero-
we, elastyczne oraz biomateriały ceramiczne zestawione w tablicy 8.161.

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1291

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1291

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1292

Tablica 8.160

Biomateriały kompozytowe nanoszone na podłoże biomateriałów metalowych (według J. Marciniaka)

Osnowa

Elementy wzmacniające

Typ 1. Biomateriały kompozytowe prawie obojętne

Polisulfon, węgiel, polietylen, poli(metakrylan metylu)

Włókna

Węgiel

SiC

Żywica epoksydowa

i stal austenityczna

Typ 2. Biomateriały kompozytowe porowate obojętne

Hydroksyapatyt

Poli L–laktyd

Typ 3. Biomateriały kompozytowe bioaktywne

Bioszkło

Włókna ze stali austenitycznej, włókna tytanowe

Kolagen, polietylen

Hydroksyapatyt

Poli(metakrylan metylu)

Fosforanowo–krzemianowe szkła apatytowe

Polimer

Szkło fosforanowe

Hydroksyapatyt

Żelatyna resocynowo–formaldehydowa

AW/ceramika szklana

Hartowane szkło ZrO

Typ 4. Biomateriały kompozytowe resorbowane

PLA/PGA

PLA/PGA włókna, hydroksyapatyt

Polihydroksybuturat

Hydroksyapatyt

Tablica 8.161

Ogólna klasyfikacja biomateriałów klinicznych stosowanych w protetyce stomatologicznej
(według J. Marciniaka)

Grupa biomateriałów

Rodzaj biomateriału

Biomateriały metalowe

•stopy metali szlachetnych na osnowie:

– złota
– palladu
– srebra

•stopy metali na osnowie:

– niklu (z dodatkiem Cr, Mo, Nb)
– kobaltu (z dodatkiem Cr, Mo)
– tytanu (czysty Ti, stopy z dodatkami Al, V, Nb, Ta)
– żelaza (z dodatkami Cr, Ni, Mo)

Biomateriały polimerowe

•poli(metakrylan metylu) PMMA
•kopolimer metakrylan metylu–chlorek winylu–octan winylu MMAVCVAC
•biomateriały kompozytowe BS–CMA z pirogennym SiO

Biomateriały ceramiczne

•skaleń potasowy bez kaolinu
•biomateriały ceramiczne szklano–krystaliczne
•biomateriały ceramiczne szkliste
•rdzeniowe biomateriały ceramiczne aluminiowe, ceramika leucytowa, konwencjonalna

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1292

W tablicy 8.162 podano biomateriały wykorzystywane na wszczepy i na różne

elementy stosowane w praktyce stomatologicznej, a na rysunkach 8.329 i 8.330
przedstawiono przykładowo różne klasy wypełnień zębów i koron zębowych wyko-
nywanych ze stopów metali szlachetnych.

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1293

Tablica 8.162

Biomateriały stosowane na elementy protetyki stomatologicznej (według J. Marciniaka)

Rodzaj wszczepu lub protezy

Rodzaj biomateriału

Wszczep podokostnowy

stopy Co–Cr–Mo, Co–Cr–W–Mo, Co–Ni–Cr–Mo pokryte powierzchniowo biomateriałami
ceramicznymi obojętnymi lub węglem

Wszczep śródkostny płytkowy

stal Cr–Ni–Mo pokryta biomateriałami ceramicznymi obojętnymi i resorbowanymi
o kontrolowanej resorpcji oraz węglem

Wszczep endodontyczny
(zębowo–korzeniowy)

stopy Co–Ni–Cr–Mo, Co–Cr–W–Ni–Mo, Ti–Al–V, stal Cr–Ni–Mo pokryta biomateriałami
ceramicznymi obojętnymi i resorbowanymi

Wszczep śródkostny
bródkowo–gałęziowy

stal Cr–Ni–Mo pokryta biomateriałami ceramicznymi o kontrolowanej resorpcji lub węglem

Wszczep dośluzówkowy

stal Cr–Ni–Mo, stopy Co–Ni–Cr–Mo, Co–Cr–W–Ni–Mo

Mocno osadzone korony
zębowe

złoto, stal Cr–Ni–Mo oraz biomateriały kompozytowe z biomateriałami ceramicznymi, akrylem
lub polimerowymi

Mostki

stal Cr–Ni–Mo, stopy Ti–Al–V oraz biomateriały kompozytowe z biomateriałami ceramicznymi
obojętnymi lub akrylem

Protezy

stal Cr–Ni–Mo oraz stopy Co–Ni–Cr–Mo, Co–Cr–W–Ni–Mo z biomateriałami
kompozytowymi, z biomateriałami ceramicznymi obojętnymi i polimerami, stopy Ti–Al–V

Aparaty ortodontyczne

stal Cr–Ni–Mo z biomateriałami kompozytowymi polimerowymi, stopy z pamięcią kształtu Ni–Ti

III

Rysunek 8.329

Różne klasy wypełnień zębowych; klasy I i II uzupełniają jedną lub dwie powierzchnie zęba z miękkich stopów
złota AuAg10Cu9Pd1 lub z amalgamatu srebrowego oraz biomateriału kompozytowego lub porcelany;
klasy III, IV, V wykonywane z biomateriału kompozytowego (według J.F. Jelenki)

Rysunek 8.330

Korony zębowe ze stopów złota
zawierających 40

78% Au

(według J.F. Jelenki);
a)

korony, b) pełna korona

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1293

BIOMATERIAŁY POLIMEROWE SYNTETYCZNE STOSOWANE W STOMATOLOGII

Biomateriały polimerowe syntetyczne, w tym polimery akrylowe oraz materia-

ły elastyczne, są powszechnie stosowane w protetyce stomatologicznej.

W polimerach akrylowych substancją podstawową jest metakrylan metylu. Pro-

dukowane są różne odmiany kolorystyczne polimerów akrylowych, dobieranych na
płyty protezy, olicowania lub zęby.

Materiały elastyczne łączące się z płytkami protezowymi i stanowiące amorty-

zatory dla tkanek jamy ustnej dzielą się na:

materiały akrylowe i silikonowe (samopolimeryzujące lub polimeryzujące pod
wpływem ciepła),
alternatywne miękkie polimery (typu poliuretanowego, lecz cechujące się
znaczną adsorpcją wody),
materiały do biologicznej odnowy tkanek (do jamy ustnej wprowadza się prote-
zę pokrytą na stronie dośluzówkowej warstwą żelu, która po zwarciu zębów roz-
pływa się, amortyzując uraz).

8.6.4. Biomateriały stosowane w kardiologii

interwencyjnej

BIOMATERIAŁY NA STENTY

Biomateriały metalowe są również wykorzystywane na stenty. Podstawowy ro-

dzaj stentu jest metalowym stelażem w kształcie wałka (rys. 8.331). Stent wprowa-
dzany jest przez nakłucie żyły udowej, a kiedy znajduje się w miejscu przeznacze-
nia, wprowadzający go balonik zwiększa swą objętość, a następnie rozpręża się, po-
wodując rozciąganie stentu do właściwych rozmiarów, po czym balonik jest zwężo-
ny i wycofany z organizmu, a stent zapobiega ponownemu zwężaniu rozszerzonych
naczyń krwionośnych.

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1294

Rysunek 8.331

Schemat stentu metalowego

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1294

BIOMATERIAŁY NA IMPLANTY STOSOWANE W SERCU

Wady serca i naczyń krwionośnych, które mogą być korygowane metodami an-

gioplastyki i kardiologii interwencyjnej, przedstawiono schematycznie na rysunku
8.332.

Metodą plastyki balonowej można wykonać zabieg zamknięcia otworu w prze-

grodzie międzyprzedsionkowej, często występującego jako wada wrodzona serca.
Służą temu implanty w kształcie walca zamykającego i dwóch parasolek wykona-
nych ze stopu tytanu i niklu (rys. 8.333), wprowadzane także przez nakłucie żyły
udowej, przy użyciu odpowiedniego cewnika. W celu zapewnienia szczelności, pa-
rasolki są wzmacniane włóknami poliestrowymi, dzięki czemu następuje ich samo-
rozprężenie.  Przetrwały  przewód  tętniczy  Botalla  zamykany  jest  także  metodami
kardiologii  interwencyjnej  z użyciem  implantu  w postaci  parasolki  lub  sprężynki
metalowej z wąsikami z materiału polimerowego, ulokowanej tak, by część zwojów
pozostała  w tętnicy  płucnej,  a część  w aorcie.  Na  wąsikach  implantu  tworzy  się
skrzep zasklepiając przewód.

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1295

Rysunek 8.333

Schemat zastosowania
implantów do zamykania
otworu w przegrodzie
międzyprzedsionkowej

Rysunek 8.332

Schemat wad serca
i naczyń krwionośnych,
które mogą być korygowane
metodami angioplastyki
i kardiologii interwencyjnej

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1295

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1296

Materiały  stosowane  w  medycynie  należą  do  wszystkich  grup  materiałów  inżynierskich.  Płytki  i  śruby  do
zespoleń  kostnych  wykonywane  są  głównie  ze  stali  wysokostopowych  o  strukturze  austenitycznej  (1).
Endoprotezy stawu biodrowego (2) (3) mogą być wytwarzane zarówno ze stali austenitycznych, stopów tytanu
oraz materiałów ceramicznych. W przypadku złamań stosowane są różne przyrządy, głównie ze stali odpornych
na korozję, które przez odpowiednie zestawienie kości widoczne na zdjęciach rentgenowskich (5) (7) znacznie
przyspieszają proces zespolenia kości (4) (6) (7). Przyrządy stalowe stosowane są w ortodoncji (8), natomiast
wszczepy stomatologiczne mogą być wykonane ze stopów metali lub materiałów ceramicznych z odpowiednią
koroną, najczęściej z materiałów polimerowych lub ceramicznych (9). Stenty (10) wykonane są głównie ze stali,
ale często z zastosowaniem pokrywania powierzchni cienkimi warstwami, np. diamentopodobnymi.
Do  największych  osiągnięć  należy  konstrukcja  sztucznego  serca,  w  którym  zastosowane  są  różne
zaawansowane materiały i które nie wymaga stałego podłączenia do aparatury zmuszającej do unieruchomienia
pacjenta  (11).  Protezy  kończyn,  np.  górnych,  mogą  być  w  pełni  automatycznie  sterowane  przez  sygnały
przekazywane  przez  system  nerwowy  (12).  Aparatura  diagnostyczna,  np.  z  użyciem  rezonansu  jądrowego,
wymaga użycia wielu nowoczesnych materiałów, w tym materiałów nadprzewodzących (13).

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1296

8.6.5. Materiały biomimetyczne

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA DZIAŁAŃ TECHNICZNYCH

W CELU NAŚLADOWANIA NATURY

We współczesnej technice można znaleźć liczne przykłady czerpania wzorców

rozwiązań technicznych z natury. Dotyczy to w szczególności materiałów, które są
wytwarzane sztucznie, często wypierając materiały naturalne. Można mówić o swo-
istym współzawodnictwie w tym zakresie, pomiędzy nauką o materiałach i inżynie-
rią materiałową oraz naukami dotyczącymi materii ożywionej – biologią i medycy-
ną. Przykładowo, dotyczyło to, jeszcze przed kilku laty, zastąpienia kości lub sta-
wów przez wysokowytrzymałe materiały konstrukcyjne, w tym m.in. stopy tytanu,
nadstopy kobaltowo–chromowe lub ceramikę korundową, co zwiększyło zaintere-
sowanie wielu biologów molekularnych, biochemików i fizyków oddziaływaniem
sztucznych materiałów na komórki żywej tkanki. Z pewnością zagadnienie to bę-
dzie przedmiotem zainteresowania inżynierii materiałowej również w przyszłości.
Z tego punktu widzenia, podstawowy problem polega na udzieleniu odpowiedzi na
pytanie, jakie są główne różnice między materiałami sztucznymi i tkankami biolo-
gicznymi. Najpoważniejsza różnica związana jest z wielkością elementów składo-
wych materiałów biologicznych (takich jak proteiny, węglowodany, lipidy lub kwas
deoksyrybonukleinowy DNA) i tradycyjnych materiałów inżynierskich (takich jak
stopy metali, ceramika lub polimery), gdyż złożoność tych elementów w materii ży-
wej jest znacząco większa. W wyniku ewolucji trwającej miliony lat, natura wyko-
rzystuje najbardziej inteligentne cząsteczki do tworzenia organizmów żywych,
relatywnie prostymi i ugruntowanymi drogami tworzenia, podczas gdy tradycyjna
nauka o materiałach wytwarza sztuczne materiały z prostych składników z wyko-
rzystaniem wyszukanych metod wytwarzania i przetwórstwa.

Możliwe są dwa uzupełniające się podejścia, obejmujące procesy technologicz-

ne wytwarzania materiałów:

„bottom–up“  (z  dołu  do  góry),  w  którym  pojedyncze  atomy  lub  cząsteczki  są
wykorzystywane  do  utworzenia  nowych  składników  o  nanometrycznej  skali,
przy czym biocząsteczki mają zdolność do samoorganizacji, wobec czego dla
tych procesów typowe jest tworzenie się struktur wysokouporządkowanych, o
typowych wymiarach sięgających od kilku do kilkuset nanometrów, natomiast
główna  niedogodność  tego  podejścia  polega  na  nieopanowaniu  procesów
seryjnych,
„top–down“ (z góry na dół), w którym stosowane są techniki litograficzne w ce-
lu zmniejszenia struktury do mniejszej skali, przy czym to podejście jest gorsze,
gdyż  wymaga  wprowadzenia  specjalnych  działań  technicznych,  by  z  trudem
zmniejszyć skalę do 30 nm.
Należy się spodziewać, że przyszłościowe technologie materiałowe będą zwią-

zane z równoczesnym rozwojem w dwu kierunkach, otwierających całkowicie
nowe możliwości techniczne:

konwergencja (zbieżność) procesów wytwórczych materiałów zgodnie z zasa-
dami „bottom–up“ oraz „top–down“, w celu pokonania bariery technologicznej
związanej z wartością 30 nm,
połączenie tradycyjnych materiałów półprzewodnikowych, opierających się

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1297

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1297

głównie na krzemie, z materiałami organicznymi i/lub biologicznymi, przy mo-
żliwie małej skali opracowanych zespoleń (interfaces).
Wśród licznych możliwych zastosowań praktycznych takich właśnie osiągnięć

z pewnością należy wyróżnić materiały biomimetyczne czyli bionaśladowcze.

BIOMIMETYKA I JEJ CELE

Komórki biologiczne są złożone z materiałów o zaskakujących własnościach,

związanych z obecnością elementów składowych makro- lub supramolekularnych,
których identyfikacji oraz łączeniu się w systemy o wyższym stopniu integracji, w
ostatnich  latach  poświęcono  sporo  uwagi.  Komórki  biologiczne  mogą  bowiem
wytwarzać twarde biominerały o strukturze nanometrycznej, natomiast struktury
międzykomórkowe są zbudowane z wielofunkcyjnych i wysoce inteligentnych ma-
teriałów  o  miękkich  i  elastycznych  nanostrukturach,  umożliwiających  wzajemne
oddziaływania biologiczne między sąsiadującymi komórkami. Ponieważ struktura
supracząsteczek wchodzących w skład różnych komórek biologicznych jest zróżni-
cowana,  pomimo  podobnego  składu  makrocząsteczek,  które  tworzą  te  komórki,
cechują  się  one  dosyć  szerokim  zakresem  możliwych  własności  materiałowych  i
różną zdolnością przetrwania w różnych warunkach środowiskowych, np. we wrzą-
cej  wodzie,  w  silnych  kwasach,  w  obniżonej  temperaturze  w  warunkach  arktycz-
nych  lub  w  głębinach  mórz  przy  podwyższonym  ciśnieniu.  W  komórkach  biolo-
gicznych występują ponadto liczne wysokoefektywne systemy transportu, bazujące
na silnikach proteinowych lub molekularnych, przetwarzających energię chemicz-
ną w pracę mechaniczną. Takie nanosilniki umożliwiają transport jonów i makro-
cząsteczek  przez  ścianki  komórek  (membrany),  odpowiadając  za  regulowanie
adhezji  i  fuzji  tych  ścianek  oraz  za  transport  międzykomórkowy  pęcherzyków  i
organelli w trakcie podziału lub przemieszczania się komórek.

Wymienione zagadnienia wraz z zamiarem sztucznego odtworzenia podobnych

materiałów i systemów, naśladujących występujące w naturze komórki biologiczne
i procesy oddziaływania między nimi, stanowią przedmiot zainteresowania biomi-
metyki szczególnie rozwijającej się w ostatnich latach

. Do przykładów systemów

biomimetycznych można zaliczyć supramolekularne struktury zawierające ścianki
komórkowe (membrany) i polimery, sieci polimerowe jako modele cytoszkieletów,
mineralizację biomimetyczną, transport z użyciem silników molekularnych, biomi-
metyczne rozpoznawanie i przekazywanie sygnałów. Systemy biomimetyczne
znajdują zastosowania w bioinżynierii, farmakologii i medycynie i są przedmiotem
zainteresowania fizyków, chemików, biologów molekularnych i bioinżynierów.

Celem rozwijanych badań biomimetycznych i nanometrycznych systemów tran-

sportu jest:

rozpoznanie własności materiałów i systemów transportu w komórkach biolo-
gicznych i tkankach,
opracowanie zbioru modeli fizycznych i chemicznych umożliwiających zasto-
sowanie tej wiedzy w badaniach problemów praktycznych,

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1298

Znaczące prace w tym zakresie wykonuje R. Lipowsky z Instytutu Maxa Plancka w Potsdamie
w Niemczech.

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1298

projektowanie i rozwój nowych typów materiałów o wymaganej biokompatybil-
ności oraz o pożądanych własnościach fizycznych, chemicznych i biologicz-
nych,
zastosowanie nowo opracowanych materiałów biomimetycznych w bioinżynie-
rii, farmakologii i medycynie.
Należy przewidywać, że z czasem w ramach biomimetyki będą tworzone

sztuczne wzorce przestrzenne włókien (zastępujących fragmenty naturalnych ko-
mórek), następnie łączonych w większą całość, w tym membrany, składające się na
biosensory lub inne systemy, umożliwiające także naśladowanie procesów komór-
kowych endo- i egzocytozy, umożliwiające ich połączenie ze sobą, jak również zo-
staną wytworzone sztucznie minerały w skali nanometrycznej, co zapewni opraco-
wanie systemów transportu w oparciu o tak utworzone włókna i silniki moleku-
larne.

Kolejne długoterminowe zadania biomimetyki, obecnie na pograniczu

science–fiction, zmierzają do połączenia sensorów biomimetycznych i silników
molekularnych w uporządkowane systemy modelowe przekazywania sygnałów bio-
logicznych i do wytwarzania nanorobotów, które uzyskując fizyczne lub chemiczne
sygnały z otaczającego środowiska odpowiadają prawidłowym działaniem na uzys-
kane informacje, a z czasem nawet systemów biomimetycznych, które mogą wy-
twarzać sztuczne komórki.

Z pewnością biomimetyka należy do szczególnie awangardowych obszarów

współczesnej techniki, stąd niemożliwe jest przekazanie zbyt wielu konkretnych
informacji na ten temat, jednak uwzględnienie tej tematyki w książce daje nadzieje
na pobudzenie aktywności i wyobraźni Czytelników do poszukiwań w tym kierun-
ku, a przez to szanse zaspokojenia tych aspiracji w przyszłości.

DOTYCHCZASOWE OSIĄGNIĘCIA

W ZAKRESIE MATERIAŁÓW BIOMIMETYCZNYCH

Wśród materiałów powstających metodą „bottom–up“, tworzenia dużych struk-

tur z małych cząsteczek, można wyróżnić trzy grupy scharakteryzowane w tablicy
8.163:

makrocząsteczki lub kopolimery o łańcuchach monomerów połączonych
wiązaniami kowalencyjnymi,
zespoły supracząsteczek złoźonych z licznych pojedynczych cząsteczek, które
powstają w wyniku niekowalencyjnych oddziaływań między cząsteczkami,
kompleksowe struktury zawierające różne typy elementów i/lub różnych typów
zespołów cząsteczek.

8.6. Materiały biomedyczne i biomimetyczne

1299

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1299

8. Materiały specjalne, funkcjonalne i niemetalowe

1300

Tablica 8.163

Ogólna charakterystyka materiałów biomimetycznych powstających metodą „bottom–up“
(opracowano według danych R. Lipowsky'ego)

Grupa materiałów biomimetycznych

Ogólna charakterystyka grupy materiałów biomimetycznych

Makrocząsteczki lub kopolimery o łańcuchach
monomerów połączonych wiązaniami
kowalencyjnymi

W ostatniej dekadzie opracowano nowe metody syntezy umożliwiające
tworzenie hybrydowych cząstek zawierających biopolimery połączone
z cząsteczkami syntetycznymi. Powstałe w ten sposób nowe polimery
biomimetyczne łączą własności obydwu grup składowych, zarówno
naturalnych jak i syntetycznych. Nowe eksperymentalne procesy zwane
„metodą pojedynczych cząsteczek“ umożliwiają ponadto określenie
własności fizycznych każdej makrocząsteczki z osobna. Mogą one
przemieszczać się przez membrany foliopodobne i włókna prętopodobne.
Mogą również być używane jako aktywne silniki umożliwiające poruszanie
się ich wzdłuż włókien

Zespoły supracząsteczek złoźonych z licznych
pojedynczych cząsteczek, które powstają
w wyniku niekowalencyjnych oddziaływań
między cząsteczkami, takich jak hydrofiliczne
i hydrofobowe oddziaływania z wodą

W ostatnich latach skonstruowano nowe typy membran biomimetycznych,
np. przez tworzenie dwuwarstwowych amfifilicznych dibloków
kopolimerowych naturalnych lub hybrydowych zgodnie z mechanizmem
właściwym dla lipidów. Innym typem są wielowarstwowe polielektrolityczne
membrany biomimetyczne, tworzone warstwa po warstwie. Te właśnie
wielowarstwowe membrany mają potencjalnie wiele możliwości aplikacyjnych
jako systemy dozowania leków. W uzupełnieniu do miękkich i elastycznych
zespołów supracząsteczek produkowane są także twarde materiały w postaci
biomimetycznych minerałów, głównie hydroksyapatytów lub węglanu wapnia

Kompleksowe struktury zawierające różne
typy elementów i/lub różnych typów
zespołów cząsteczek

Kompleksy wielowarstwowe tworzone w procesach elektrolitycznych przez
nanoszenie warstwy po warstwie służą jako połączenia wielowarstwowe.
Takie struktury kompleksowe mogą byś również tworzone przez chemiczne
osadzanie powierzchni, służąc jako połączenia wielofunkcyjne biomembran
wykorzystywanych do tworzenia supracząsteczkowych struktur

8_6 roz 9-11-02 15:10 Page 1300