BIOMATERIAŁY

BIOMATERIAŁY

Zakład Inżynierii Biomedycznej i Mechaniki Eksperymentalnej

Wydział Mechaniczny

Politechnika Wrocławska

Prof. dr hab. inż. Romuald Będziński, dr inż. Anna Nikodem, dr inż. Krzysztof Ścigała

http://www.biomech.pwr.wroc.pl/

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Warstwy wierzchnie

Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

„Biomateriał to każda substancja inna niż lek,

lub kombinacja substancji pochodzenia

naturalnego i sztucznego, które wykorzystuje

się do zastąpienia czasowego lub na stałe

uszkodzonych tkanek, organów lub ich części.”

Materiał dla medycyny powinien być

biotolerowany, bioakceptowany, (biozgodny) i

biofunkcyjny.

„Biomateriał to sztuczne tworzywo o kształcie i

formie odpowiadającym zastosowaniom w

medycynie, które w specyficzny sposób reaguje ze

środowiskiem tkankowym.”

J. Biomed. Mat. Res. 27 (1993) 837

Biomateriał

REGENERACJA TKANEK

1. STRUKTURY

3

. METABOLICZNEGO

I BIOCHEMICZNEGO
ZACHOWANIA

Biomateriał

-

regenerujący obcy przeszczep

ekwiwalent dla autoprzeszczepu

2. FUNKCJI

4.

BIOMECHANICZNEGO
ZACHOWANIA

Podstawowymi trudnościami w implantacji, które nadal
wymagają rozwiązania:



Biotolerancja, bioakceptacja, (biozgodność materiału),



odpowiedniej reakcji, sztywności implantu i kości,
tj. unikanie przebudowy struktury kości (remodeling)
oraz (shelding) bezodkształceniowej strefy ochronnej,



zapewnienie

możliwości

łatwego

wszczepiania

elementów implantu (realizacja zabiegu),



dostosowanie przenoszenia obciążeń do warunków
anatomicznych.



odpowiednia interakcja implant - otaczająca tkanka



inne

Podstawowymi trudnościami w implantacji, które nadal
wymagają rozwiązania:



Biotolerancja, bioakceptacja, (biozgodność materiału),



odpowiedniej reakcji, sztywności implantu i kości,
tj. unikanie przebudowy struktury kości (remodeling)
oraz (shelding) bezodkształceniowej strefy ochronnej,



zapewnienie

możliwości

łatwego

wszczepiania

elementów implantu (realizacja zabiegu),



dostosowanie przenoszenia obciążeń do warunków
anatomicznych.



odpowiednia interakcja implant - otaczająca tkanka



inne

Przyczyny niepowodzenia w implantacji

Pomijając

aspekty

czysto

kliniczne

(błędy

operacyjne)

do

najczęstszych

przyczyn

niepowodzeń

z

punktu

widzenia

biomechaniki w dalszych skutkach implantacji można wymienić:



źle

zaplanowana

i

zrealizowana

procedura

wszczepienia

implantu,



brak biozgodności pomiędzy implantem i strukturą kostną,



niefizjologiczne przenoszenie obciążeń jako skutek zabiegu,



niewłaściwe zaprojektowanie części składowe endoprotez,



zanik odkształceń kości w rejonie kontaktu z implantem
(shielding),



zła jakość podłoża kostnego,



niewłaściwa warstwa wierzchnia implantów,



niewłaściwie dobrane charakterystyki odkształceniowe implantu
i kości.

Pomijając

aspekty

czysto

kliniczne

(błędy

operacyjne)

do

najczęstszych

przyczyn

niepowodzeń

z

punktu

widzenia

biomechaniki w dalszych skutkach implantacji można wymienić:



źle

zaplanowana

i

zrealizowana

procedura

wszczepienia

implantu,



brak biozgodności pomiędzy implantem i strukturą kostną,



niefizjologiczne przenoszenie obciążeń jako skutek zabiegu,



niewłaściwe zaprojektowanie części składowe endoprotez,



zanik odkształceń kości w rejonie kontaktu z implantem
(shielding),



zła jakość podłoża kostnego,



niewłaściwa warstwa wierzchnia implantów,



niewłaściwie dobrane charakterystyki odkształceniowe implantu
i kości.

Cechy implantu

1

0

biozgodność

(

biotolerancja,bioakceptowalność)

• nie działać toksycznie, alergizująco,

• nie dawać nadmiernego odczynu tkanek,

• zachowywać wymaganą trwałość w

agresywnym środowisku, itd.

7

Cechy implantu

2

0

biofunkcjonalność

• spełnienie wyznaczonej funkcji lub

odegranie w organizmie określonej roli

8

Główne problemy implantologii

Międzyfazowa stabilizacja z tkanką gospodarza

Biomechaniczne i bioelektroniczne niedopasowanie
(moduł Younga, przewodnictwo elektryczne)

Tworzenie cząstek w wyniku tarcia

Podtrzymywanie stabilnego przepływu krwi –
atrombogenność

Brak zdolności do samoreparacji

Brak zdolności do modyfikacji struktury i właściwości
w odpowiedzi na działanie takich czynników jak:
mechaniczne obciążenia czy przepływ krwi
(funkcjonalna adaptacja)

Implanty ortopedyczne

MOŻLIWE

MOŻLIWE PROBLEMY w implantacji

PROBLEMY w implantacji

INFEKCJE

INFEKCJE::

Obluzowanie

Obluzowanie septyczne

septyczne jest

jest pierwszym

pierwszym powodem

powodem powikłań

powikłań





Problemy

Problemy związane

związane z

z infekcją

infekcją przez

przez zachowanie

zachowanie odpowiednich

odpowiednich warunków

warunków

prowadzenia

prowadzenia zabiegu

zabiegu

BIOLOGICZNE

BIOLOGICZNE::

Słaby

Słaby przerost

przerost tkanką

tkanką kostną,

kostną, tworzenie

tworzenie się

się warstwy

warstwy

tkanki

tkanki włóknistej

włóknistej



 Rozwiązań

Rozwiązań problemów

problemów biologicznych

biologicznych należy

należy poszukiwać

poszukiwać w

w modyfikacjach

modyfikacjach

warstwy

warstwy wierzchniej

wierzchniej implantu

implantu

BIOMECHANICZNE

BIOMECHANICZNE::

Obluzowania

Obluzowania aseptyczne,

aseptyczne, przebudowa

przebudowa kości

kości





Problemy

Problemy biomechaniczne

biomechaniczne są

są rozwiązywane

rozwiązywane na

na drodze

drodze::

-- symulacji

symulacji numerycznych

numerycznych

-- badań

badań doświadczalnych

doświadczalnych in

in vitro

vitro

Problemy współczesnej implantologii

•

Międzyfazowa stabilizacja z tkanką gospodarza

•

Biomechaniczne i bioelektryczne niedopasowanie

(moduł Younga, przewodnictwo elektryczne)

•

Brak zdolności do samoreparacji

•

Brak zdolności do modyfikacji struktury i właściwości w odpowiedzi na
działanie mechanicznych obciążeń (funkcjonalna adaptacja)

•

Podtrzymywanie stabilnego przepływu krwi – atrombogenność

•

szybka degradacja i postępująca dysfunkcja implantu

• zanikanie otaczających implant tkanek

Podstawowymi

Podstawowymi trudnościami

trudnościami w

w implantacji,

implantacji, które

które nadal

nadal

wymagają

wymagają rozwiązania

rozwiązania jest

jest uzyskanie

uzyskanie:



biozgodności materiału,



odpowiedniej reakcji, sztywności implantu i kości,
tj. unikanie przebudowy struktury kości (remodeling)
oraz (shelding) bezodkształceniowej strefy ochronnej,



zapewnienie

możliwości

łatwego

wszczepiania

elementów implantu (realizacja zabiegu),



dostosowanie przenoszenia obciążeń do warunków
anatomicznych.



odpowiednia interakcja implant - otaczająca tkanka



inne

Podstawowymi

Podstawowymi trudnościami

trudnościami w

w implantacji,

implantacji, które

które nadal

nadal

wymagają

wymagają rozwiązania

rozwiązania jest

jest uzyskanie

uzyskanie:



biozgodności materiału,



odpowiedniej reakcji, sztywności implantu i kości,
tj. unikanie przebudowy struktury kości (remodeling)
oraz (shelding) bezodkształceniowej strefy ochronnej,



zapewnienie

możliwości

łatwego

wszczepiania

elementów implantu (realizacja zabiegu),



dostosowanie przenoszenia obciążeń do warunków
anatomicznych.



odpowiednia interakcja implant - otaczająca tkanka



inne

Biomateriały

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Podczas eksploatacji urządzeń, materiały, z których zostały one wytworzone ulegają
ZUŻYCIU.

Proces zużycia może być spowodowany przez oddziaływanie wymuszeń zewnętrznych:

- mechanicznych,
- cieplnych,
- chemicznych,
- elektrochemicznych,
- mikrobiologicznych,
- elektrycznych
- lub promieniowania.

W rzeczywistości zużycie jest najczęściej wynikiem współdziałania różnych czynników,
z dominacją czynnika, którego ujawnienie pozwala zastosować właściwe sposoby
przeciwdziałania niszczeniu.

Materiały stosowane w implantologii

Czynnikiem bezpośrednio wpływającym na proces
osteointegracji są właściwości zaimplantowanego
biomateriału m.in.:

•

jakość chemiczna

•

toksyczność

•

bioelektryczne niedopasowanie

•

różnica potencjałów (kości i implantu)

•

rozpuszczanie się materiału (metaloza)

•

odporność korozyjna

•

relacje odkształcalności

•

możliwość kontroli odpowiedzi

biologicznej

Reakcja organizmu na zaimplantowany materiał

Od 1 sekundy do 1 godziny

Adsorpcja protein

Atak komórek

(neutrofile, makrofagi)

Od 30 minuty do 2 dnia

Zwarta, nieunaczyniona

kolagenowa kapsuła

Wydzielanie cytokininy

Tworzenie się wielkich komórek

3 tydzien +

WSZYSTKIE
implanty metaliczne ulęgają
korozji !

(wżerowa, szczelinowa, napręż

eniowa i zmęczeniowa)

Produkty korozji infiltrują tkanki

proces ten nazywa się

METALOZĄ

Zagadnieniami

konstruowania,

wytwarzania,

badania

i

stosowania

warstw

powierzchniowych zajmuje się

inżynieria powierzchni.

Jest to dziedzina nauki i techniki stosunkowo nowa, wyodrębniona w latach 60-tych XX
wieku.
Inżynieria powierzchni oferuje:
- modyfikacje warstw wierzchnich,
- nakładanie powłok,
- kombinacje powłok na zmodyfikowanych warstwach wierzchnich.

Powłoki mogą być metalami, niemetalami (polimery, ceramika) bądź kombinacjami
metal

–

niemetal.

Wynikają

stąd

znaczne

zróżnicowania

właściwości, budowy, mechanizmu niszczenia itd.

Celem końcowym tych działań powinno być sprostanie przez

konstrukcję, urządzenie czy wyrób wymaganiom: dużej funkcjonalności, długiego

okresu użytkowania, estetycznego wykończenia oraz ograniczenia nakładów

produkcyjnych i eksploatacyjnych.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Skład chemiczny i fazowy

•

Stale austenityczne Cr-Ni-Mo

•

Stopy na osnowie kobaltu

•

Tytan i jego stopy

•

Tantal, niob i ich stopy

•

Metale szlachetne

Skład chemiczny i fazowy oraz zespół własności mechanicznych a także
odporność korozyjna aktualnie stosowany w biomechanice biomateriałów
metalicznych zostały zdeterminowane i ujęte w normach przedmiotowych
ISO, ASTM, DIN i innych.

Wyróżnia się następujące grupy tworzyw metalicznych
stosowanych w implantologii:

Skład chemiczny i właściwości mechaniczne

Skład chemiczny i właściwości mechaniczne
stopu Ti6Al7Nb

stopu Ti6Al7Nb

reszta

tytan

105 GPa

moduł sprężystości

(Younga)

max. 0,009%

wodór

około 550 MPa

wytrzymałość

zmęczeniowa

max. 0,05%

azot

min. 10%

wydłużenie względne

max. 0,08%

węgiel

min. 900 MPa

wytrzymałość na

rozciąganie

max. 0,2%

tlen

min. 800 MPa

granica plastyczności

6,5 – 7,5

niob

kuty

stan materiału

5,5 – 6,5%

aluminium

Cechy mechaniczne

Skład chemiczny

Skład chemiczny i właściwości mechaniczne

Skład chemiczny i właściwości mechaniczne
stali nierdzewnej

stali nierdzewnej

reszta

żelazo

210 GPa

moduł sprężystości

(Younga)

max. 0,01%

azot

około 500 MPa

wytrzymałość

zmęczeniowa

max. 2,0 %

mangan

min. 12%

wydłużenie względne

2,25 – 3,5 %

molibden

min. 860 MPa

wytrzymałość na

rozciąganie

13 – 15 %

nikiel

min. 690 MPa

granica plastyczności

17 – 19 %

chrom

po obróbce na

zimno

stan materiału

max. 0,3%

węgiel

Cechy mechaniczne

Skład chemiczny

Zmiany histopatologiczne w narządach detoksykacyjnych

Wyróżnia się następujące reakcje:

•

Ni

–

wywołuje

stan

zapalny tkanki

okołowszczepowej,

odczyny

alergiczne (szczególnie u kobiet), jest kancerogenny

•

Cr

– Jest toksyczny (szczególnie w postaci jonów Cr

6+

i Cr

3+

), powoduje

uszkodzenie

komórek

tkanek

okołowszczepowych

i

narządów

miąszowych, wywołuje odczyny alergiczne (szczególnie u mężczyzn

)

oraz wywołuje zaburzenia strukturalne białek prowadzące do procesów
mutagennych

•

Fe

– katalizuje reakcje prowadzące do tworzenia wolnych rodników

(miażdżyca naczyń, marskość wątroby, nowotwory, uszkodzenie DNA
i RNA prowadzące do zmian mutagennych)

•

Co

– niskotoksyczny, działa na komórki mięśnia sercowego i wywołuje

alergie (o,5 do 5% populacji), zmienia struktury kwasów nukleinowych
(zmiany mutagenne)

Zmiany histopatologiczne w narządach detoksykacyjnych

Reakcje cd.:

•

Mo

– wywołuje nadaktywność oksydazy ksantynowej i zwiększa ilość

jej metabolitów w kwasie moczanowym

•

V

– cytotoksyczny i wywołuje zaburzenia neurogenne

•

Al

– powoduje cechy osteomalacji glinowej (powyżej 100 mg/kg sm),

czyli bóle mięśni, rozmiękczanie kości na złamanie, uszkadza
komórki nerwowe, wywołuje schorzenia mózgu o charakterze
dementywnym;

wysokie

stwardnienie

Al.

w

ścianach

naczyń

krwionośnych powoduje ich stwardnienie i usztywnienie

•

Ti

– może powodować alergię lub reakcję okołowszczepową

w międzywarstwie implant – kość (obecność makrofagów i limfocytów
T

we

włóknistych

komórkach

kości),

co

może

decydować

o destabilizacji endoprotez po dłuższym okresie użytkowania

Materiały stosowane w implantologii

Najwięcej problemów stawarzają odpowiednie
relacje implantu z tkanką kostną

Czynniki wpływające na tą relację:

•

biochemia

•

stan tkanki

•

metabolizm tkanki

•

uwarunkowania genetyczne

•

struktura wierzchnia

•

porowatość

•

chropowatość

•

przyjazne pierwiastki

100

m

100

m

Analiza mikroskopowa pręta S1: a) ubytki korozyjne na
powierzchni pręta, b) początki procesów korozyjnych
zachodzących w miejscach mechanicznego uszkodzenia
powierzchni

Korozja implantu

30

m

50 m

b)

Korozja implantu

20 m

50 m

Analiza mikroskopowa pręta S2:
a)

wżery i zarysowania na powierzchni pręta,

b) rozwój korozji międzykrystalicznej po granicach ziaren austenitu.

L

p.

Oznaczenie

Skład chemiczny [%]

próbki

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

1.

Pręt

nośny

eksploatowany

0,02

0

1,79

0,45

0,02

0

0,002 17,47

13,96

2,81

0,10

2.

Pręt nośny nowy

0,02

0

1,79

0,45

0,02

0

0,003 17,30

13,93

2,80

0,10

3.

Śruba

transpedikularna

0,02

0

1,81

0,47

0,02

5

0,002 17,35

14,00

2,80

0,10

BADANIA MAKROSKOPOWE

Pręt - Stabilizator T

Pow. 900x

20m

BADANIA MAKROSKOPOWE

Pręt - Stabilizator T

Pow. 300x


m

BADANIA MAKROSKOPOWE

Hak - Stabilizator T

Pow. 350x

50m

BADANIA MAKROSKOPOWE

Pręt - Stabilizator T

BADANIA MAKROSKOPOWE

Hak - Stabilizator T

BADANIA MAKROSKOPOWE

Pręt - Stabilizator T

Jednym z najważniejszych czynników decydujących o powodzeniu implantacji jest
zachowanie biotolerancji a więc zachowanie ciągłej nie naruszonej powierzchni warstwy
pasywnej.

Niestety warstwa pasywna implantów uszkadzana jest często mechanicznie już podczas

zabiegu. Naruszenie spójności i przyczepności warstwy pasywnej następuje również
podczas przedoperacyjnego modelowania implantu (prebendingu), szczególnie wtedy,
gdy prowadzone jest w stopniu większym niż przewidują zalecenia producenta.

W konsekwencji obszary odkształcone implantu są bardziej narażone na korozję.

Zaznaczają się istotne różnice w przebiegu korozji, gdyż lokalne uszkodzenia warstwy

pasywnej oraz zróżnicowanie pomiędzy strefami odkształceniowymi prowadzą do
utworzenia
ogniw aktywno - pasywnych. Stąd też w strefach nie odkształconych na powierzchni
implantu wyróżnić można liczne wżery, powstające w miejscach występowania wydzieleń
węglików lub wtrąceń niemetalicznych. Natomiast strefy odkształcone korodują w
sposób charakterystyczny dla korozji miejscowej - równomiernie i na całej powierzchni
odkształconej. Wielkość ubytków korozyjnych jest uzależniona od składu chemicznego i
fazowego oraz czasu przebywania stabilizatora w środowisku tkankowym

„

Nigdzie tak mało nie znaczy tak wiele jak

warstwa wierzchnia dla jakości części
wyrobów i systemów maszynowych”

Parafraza słynnego powiedzenia Winstona Churchilla z okresu II Wojny
Światowej, wypowiedziana przez profesora Kaczmarka w 1995r.

Optymalny rozmiar porów dla regeneracji tkanki

Optymalny rozmiar porów dla regeneracji tkanki
kostnej mieści się w zakresie

kostnej mieści się w zakresie

200

200--400

400 

m

m

Optymalny rozmiar porów dla regeneracji tkanki

Optymalny rozmiar porów dla regeneracji tkanki
kostnej mieści się w zakresie

kostnej mieści się w zakresie

200

200--400

400 

m

m

Przy wielkości porów

Przy wielkości porów
100

100--400

400 

m

m wytrzymałość

wytrzymałość

na styku kość

na styku kość--implant

implant

jest największa

jest największa

Przy wielkości porów

Przy wielkości porów
100

100--400

400 

m

m wytrzymałość

wytrzymałość

na styku kość

na styku kość--implant

implant

jest największa

jest największa

Odpowiednia

Odpowiednia

kombinacja

kombinacja

dwóch

dwóch

najistotniejszych

najistotniejszych

czynników

czynników::

powierzchni

powierzchni implantu

implantu ii rodzaju

rodzaju warstwy

warstwy pośredniej

pośredniej

oraz

oraz

właściwe

właściwe

relacje

relacje

odkształceń

odkształceń

implant

implant--kość

kość

powinny

powinny

pozwolić

pozwolić

na

na

otrzymanie

otrzymanie

optymalnego

optymalnego

rozwiązania

rozwiązania problemu

problemu oddziaływań

oddziaływań na

na styku

styku kości

kości

ii implantu

implantu..

Odpowiednia

Odpowiednia

kombinacja

kombinacja

dwóch

dwóch

najistotniejszych

najistotniejszych

czynników

czynników::

powierzchni

powierzchni implantu

implantu ii rodzaju

rodzaju warstwy

warstwy pośredniej

pośredniej

oraz

oraz

właściwe

właściwe

relacje

relacje

odkształceń

odkształceń

implant

implant--kość

kość

powinny

powinny

pozwolić

pozwolić

na

na

otrzymanie

otrzymanie

optymalnego

optymalnego

rozwiązania

rozwiązania problemu

problemu oddziaływań

oddziaływań na

na styku

styku kości

kości

ii implantu

implantu..

Problem oddziaływania implant - otaczająca tkanka

Wytrzymałość połączenia pomiędzy kością

Wytrzymałość połączenia pomiędzy kością i

i biomateriałem powinna

biomateriałem powinna

być zbliżona do wytrzymałości natywnej tkanki kostnej.

być zbliżona do wytrzymałości natywnej tkanki kostnej.

Wytrzymałość połączenia pomiędzy kością

Wytrzymałość połączenia pomiędzy kością i

i biomateriałem powinna

biomateriałem powinna

być zbliżona do wytrzymałości natywnej tkanki kostnej.

być zbliżona do wytrzymałości natywnej tkanki kostnej.

J e s t

J e s t t o

t o j e d n o

j e d n o z

z n a j s ł a b s z y c h

n a j s ł a b s z y c h o g n i w

o g n i w w

w i m p l a n t a c j i

i m p l a n t a c j i ! ! !

! ! !

J e s t

J e s t t o

t o j e d n o

j e d n o z

z n a j s ł a b s z y c h

n a j s ł a b s z y c h o g n i w

o g n i w w

w i m p l a n t a c j i

i m p l a n t a c j i ! ! !

! ! !

Należy

Należy zatem

zatem optymalnie

optymalnie zmodyfikować

zmodyfikować powierzchnię

powierzchnię biomateriałów

biomateriałów aby

aby

polepszyć

polepszyć adhezję

adhezję komórek

komórek osteogennych

osteogennych..

Należy

Należy zatem

zatem optymalnie

optymalnie zmodyfikować

zmodyfikować powierzchnię

powierzchnię biomateriałów

biomateriałów aby

aby

polepszyć

polepszyć adhezję

adhezję komórek

komórek osteogennych

osteogennych..

Aby

Aby nie

nie zmienić

zmienić właściwości

właściwości mechanicznych

mechanicznych podłoża

podłoża (np

(np.:

.: wytrzymałości

wytrzymałości

zmęczeniowej)

zmęczeniowej) należy

należy nakładać

nakładać cienkie

cienkie warstwy

warstwy:: 30

30--90

90 

m

m..

Aby

Aby nie

nie zmienić

zmienić właściwości

właściwości mechanicznych

mechanicznych podłoża

podłoża (np

(np.:

.: wytrzymałości

wytrzymałości

zmęczeniowej)

zmęczeniowej) należy

należy nakładać

nakładać cienkie

cienkie warstwy

warstwy:: 30

30--90

90 

m

m..

Materiały stosowane w implantologii

0

50

100

150

200

250

moduł Younga [GPa]

kość zbita

stal nierdzewna 316

stop Co-Cr-Mo

czysty tytan

Ti-13Nb-13Zr

Ti-12Mo-6Zr-2Fe

Ti-15Mo-3Nb-

30(21srx);

Bioceramika

hydroksyapatytowa

materiał

WARTOŚCI MODUŁÓW SPRĘŻYSTOŚCI

Warstwy – przyszłość biomateriałów metalicznych

Bariery dyfuzyjne (podwyższenie odporności na korozję

)

Biofunkcyjność (odporność na ścieranie)

Poprawa osteointegracji (ceramiczne warstwy bioaktywne)



warstwy dyfuzyjne związków tytanu



warstwy diamentowe (NCD, DLC)



powłoki hydroksyapatytowe



warstwy kompozytowe – nowość

METODY NANOSZENIA

:



metody wykorzystujące plazmę, fotony, jony:

procesy PDT – Plasma Diffusion Treatment
RFCVD – Radio Frequency Chemical Vapour Deposition
MWCVD – Microwave CVD
PLD – Pulsed Laser Deposition



metoda zol-żel

CELE

TYPY:

Warstwa powierzchniowa implantów

Bariery dyfuzyjne (podwyższenie odporności na korozję)

Biofunkcyjność (odporność na ścieranie)

Poprawa osteointegracji (ceramiczne warstwy bioaktywne)

CELE

CELE

Komórki kostne wykazują dużą wrażliwość na podłoże, na którym mają

wzrastać i różnicować się !!!

Jaka warstwa byłaby przyjazna, odpowiednio odkształcalna i wytrzymała

(zwłaszcza zmęczeniowo) ???

Warstwa powierzchniowa implantów

•

warstwy dyfuzyjne związków

tytanu

•

warstwy diamentowe (NCD, DLC)

•

powłoki hydroksyapatytowe

•

warstwy kompozytowe (nowość)

Można wyróżnić cztery typy warstw
pośrednich

Badania charakterystyk wytrzymałościowych

Prekursory
np.
pochodne
alkoksylowe

hydroliza

kondensacja

zol

żel

żelowanie

odparowanie

wypalanie

powłoka

ceramicza

Technika zol-żel

Zastosowane prekursory tytanowe:

Próbka 1: titanium(IV) n-butoxide

Próbka 2: titanium(IV) isopropoxide

Badania charakterystyk wytrzymałościowych

Próbka 1

Po obciążeniu 90N

Przed
obciążeniem

Nr próbki

1a

1b

Obciążenie
wstępne

50 N

50 N

Obciążenie max

90 N

200 N

częstotliwość

2 Hz

2 Hz

rezultat

Brak

zmian

Złamanie

Ilość cykli

10 000

100

Po obciążeniu 90N

Po obciążeniu 200N

Badania charakterystyk wytrzymałościowych

Próbka 1

Próbka 2

Uzyskane przełomy próbek

STRUKTURA NIERÓWNOŚCI WARSTWY ME

STRUKTURA NIERÓWNOŚCI WARSTWY ME

HODOWLA KOMÓRKOWA NA

HODOWLA KOMÓRKOWA NA
WARSTWIE ZOL

WARSTWIE ZOL--ŻEL

ŻEL

PODSUMOWANIE

PODSUMOWANIE

Odpowiednia kombinacja dwóch

najistotniejszych czynników:
powierzchni implantu i rodzaju warstwy
pośredniej oraz właściwe relacje
odkształceń implant-kość powinny
pozwolić na otrzymanie optymalnego
rozwiązania problemu oddziaływań na
styku kości i implantu.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Procesy zużycia przebiegają od powierzchni ciała stałego w głąb, prowadząc do zmian
właściwości i uszkodzeń, a zasięg oddziaływania wymuszeń zewnętrznych, stanowiących
przyczyny zużycia eksploatacyjnego wyznacza tzw. eksploatacyjną warstwę wierzchnią.

Warstwa wierzchnia to:

- strefa materiału zawarta między
powierzchnią zewnętrzną a umowną
powierzchnią wewnątrz ciała stałego,
ograniczającą zasięg oddziaływania
wymuszeń zewnętrznych;

-

to część materiału, z jednej strony

ograniczona rzeczywistą powierzchnią ciała
stałego, a z drugiej materiałem rdzenia,
składająca się z kilku stref przechodzących
płynnie jedna w drugą, o zróżnicowanych
rozmiarach, odmiennych cechach fizycznych
i niekiedy chemicznych, w stosunku do cech
materiału rdzenia.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Najpowszechniej występującymi procesami powierzchniowego niszczenia materiałów są:

− korozja,
− zużycie przez tarcie.

Niezależnie od skutków, należy zawsze przeciwdziałać zużyciu mając na uwadze
zwiększenie trwałości elementów maszyn i ich niezawodność.
Przeciwdziałanie zużyciu rozpoczyna się w procesie projektowania konstrukcji, lub
urządzenia i musi być kontynuowane w procesie wytwarzania i eksploatacji.

Kształtując

za

pomocą

odpowiedniej

technologii

warstwę

wierzchnią

elementów

urządzeń, można wydatnie zwiększyć jej trwałość.

a) warstwa wierzchnia, b) powłoka,

c) powłoka na warstwie wierzchniej

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Zmiany właściwości można dokonać również przez trwałe naniesienie na chronioną
powierzchnię warstwy materiału stanowiącej

powłokę

, charakter zmian właściwości jest

wówczas skokowy (rys. 1b)

.

Zmiany właściwości

warstwy wierzchniej

materiałów metalowych mogą być wywołane

przez

pojedyncze

lub

łączne

oddziaływanie

sił

mechanicznych

i

elektrycznych, ciepła, czynników chemicznych, a ich przebieg jest płynny - od
powierzchni w głąb w kierunku rdzenia (rys.1a).

Zmiany właściwości warstw powierzchniowych
w zależności od odległości od powierzchni;

1 – zmodyfikowana warstwa wierzchnia,
2 – powłoka,
3 – rdzeń,
4 – powierzchnia początkowa przedmiotu,
5 - powierzchnia końcowa przedmiotu.

55

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Powłoka ochronna - warstwa metalu, stopu, materiału ceramicznego, tworzywa
sztucznego i in. naniesiona trwale na powierzchnię metalu chronionego, który zasadniczo
pozostaje w tym samym stanie w jakim był przed nałożeniem powłoki. Warstwy wierzchnie
i powłoki ochronne nazywa się warstwami powierzchniowymi.

Warstwy powierzchniowe mogą być wytwarzane jako pojedyncze i wielokrotne oraz
łącznie np. powłoki na warstwach wierzchnich, a przebieg zmian właściwości jest
złożony, (rys.1c).

Podstawową funkcją warstw powierzchniowych jest odizolowanie chronionego materiału
od środowiska oraz zastosowanie pokrycia z materiału, który posiada większą odporność
np. na korozję, zużycie ścierne, czy własności antyadhezyjne, bądź nadanie lepszych
własności warstwie wierzchniej chronionego metalu przez wprowadzenie zmiany składu
chemicznego, a także struktury.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

W wypadku ochrony metali przed korozją przy pomocy powłok metalowych występuje
jeszcze poza funkcją izolacji od środowiska bardzo ważny mechanizm ochrony –

ochrona

elektrochemiczna.

Polega ona na pokrywaniu metalu powłoką metalu o bardziej elektroujemnym potencjale,
który sam ulegając korozji tworzy bardziej szczelne produkty korozji, które także
wypełniają uszkodzenia powłoki nie dopuszczając do korozji chronionego podłoża.
Taki rodzaj powłok nazywa się

powłokami anodowymi

, przykładem ich jest powłoka

cynku na stali.

Mechanizm ochrony podłoża stali niestopowej przez powłokę: a) anodową – cynkową, b) katodową – cynową;

1 – środowisko korozyjne, 2 – podłoże (stal), 3 – powłoka cynkowa,

4– produkty korozji cynku, 5 – powłoka cynowa, 6 – produkty korozji cyny

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

W przypadku gdy, metal powłoki posiada potencjał elektrochemiczny wyższy niż posiada
metal podłoża, to ten rodzaj powłoki nazywa się

powłoką katodową

, a jej ochrona

sprowadza się do odizolowania chronionego podłoża od środowiska korozyjnego.

Ten rodzaj zabezpieczenia wymaga całkowitej szczelności powłoki, w przeciwnym razie
podłoże ulega silnej korozji wżerowej.

Mechanizm ochrony podłoża stali niestopowej przez powłokę: a) anodową – cynkową, b) katodową – cynową;

1 – środowisko korozyjne, 2 – podłoże (stal), 3 – powłoka cynkowa,

4– produkty korozji cynku, 5 – powłoka cynowa, 6 – produkty korozji cyny

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

• Koniec 20.12.2010

59

Zależnie od rodzaju materiału osadzanego na podłożu metalowym, powłoki ochronne
dzieli się na dwie główne grupy:

1. powłoki metalowe
2. powłoki niemetalowe.

Powłoki metalowe wytwarza się najczęściej z:

-cynku,
-chromu,
-niklu,
-miedzi,
-aluminium,
-kadmu,
-cyny,
-stali nierdzewnej,

metodą: galwaniczną, zanurzeniową, natryskową, przez platerowanie.

Poza wymienionymi metodami klasycznymi stosuje się też liczne nowej generacji:
implantacja jonów oraz techniki laserowe.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Powłoki niemetalowe to powłoki nieorganiczne i organiczne.
Do powłok nieorganicznych należą pokrycia ceramiczne, emalierskie i konwersyjne,
Do organicznych - powłoki malarskie, z tworzyw sztucznych oraz gumowe.

Wszystkie powłoki ochronne powinny odpowiadać następującym podstawowym
wymaganiom:
- muszą być szczelne, nieprzepuszczalne,
- powinny posiadać dobrą przyczepność do podłoża,
- powinny posiadać dobrą zdolność krycia powierzchni.

Istotną

rolę

dla

uzyskania

powłok

odpowiedniej

jakości

odgrywa

dokładne

przygotowanie powierzchni pokrywanego metalu oraz przestrzeganie warunków
technologicznych procesu nanoszenia warstwy.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Dla

każdego

rodzaju

wytwarzanych

warstw

powierzchniowych

niezbędne

jest

przygotowanie podłoża, które musi uwzględniać specyfikę nakładania warstw.

Przygotowanie powierzchni polega na oczyszczaniu, tj. usunięciu zanieczyszczeń,
produktów korozji, usunięciu nierówności ewentualnie nadanie odpowiedniej gładkości,
oraz odtłuszczanie.
Bezpośrednio po tych zabiegach powinny być nakładane warstwy, aby nie
dopuścić do pokrycia się oczyszczonej powierzchni produktami korozji.

Do

podstawowych

metod oczyszczania

powierzchni metali zalicza się metody

mechaniczne, chemiczne lub elektrochemiczne i cieplne.

Metody oczyszczania mechanicznego obejmują; oczyszczania przy pomocy narzędzi,
głównie napędzanych elektrycznie i pneumatycznie, metody strumieniowo-ścierne,
strumieniowo-wirnikowe.

Metody oczyszczania chemicznego lub elektrochemicznego obejmują: odtłuszczanie,
trawienie, polerowanie. Celem odtłuszczania jest usunięcie zanieczyszczeń pochodzenia
organicznego,

tłuszczów,

smarów,

przez

rozpuszczanie

w

rozpuszczalnikach

organicznych (najskuteczniejsze w parach rozpuszczalników).

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY MECHANICZNE
W metodach mechanicznych wykorzystuje się nacisk narzędzia albo energię kinetyczną
narzędzia lub swobodnych cząstek w celu umocnienia na zimno warstwy wierzchniej
metalu, lub otrzymania powłoki na zimnym metalu podłoża poprzez:

- nagniatanie naporowe - wywieranie stałego lub zmiennego nacisku na powierzchnię
obrabianego przedmiotu przez narzędzie o powierzchni gładkiej w postaci krążka
(krążkowanie),

kulki(kulkowanie),

rolki(rolkowanie)

w

celu

umocnienia

warstwy

wierzchniej,

-

nagniatanie udarowe - wykorzystanie energii

kinetycznej

stalowych,

ceramicznych

lub

szklanych cząstek w postaci kulek lub śrutu,
miotanych

siłą

odśrodkową

lub

strumieniem

sprężonego powietrza (kulowanie) albo energii
kinetycznej gładkiego narzędzia (młotkowanie)
uderzającego

w

powierzchnię

obrabianego

przedmiotu

w

celu

umocnienia

warstwy

wierzchniej.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY CIEPLNO-MECHANICZNE
W metodach cieplno-mechanicznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie ciepła
i nacisku w celu otrzymania powłok, rzadziej warstw wierzchnich, przez:

-natryskiwanie (cieplne, płomieniowe, detonacyjne)
powlekanie przedmiotów, głównie metalowych warstwą materiałów powłokowych przez
pneumatyczne rozpylenie drobnych cząstek materiału powłokowego w płomieniu
gazu, łuku elektrycznym bądź plazmy i nadanie im dużej energii kinetycznej w celu
wywarcia na pokrywaną powierzchnię nacisku umożliwiającego dobrą przyczepność
natryskiwanej powłoki do podłoża. Jeżeli materiałem natryskiwanym jest metal, proces
nazywa się metalizacją natryskową. Odmianą natryskiwania jest natapianie natryskowe
- metalizacja natryskowa połączona z obróbką cieplną warstwy natryskiwanej w płomieniu
gazowym lub w łuku elektrycznym,

METODY CIEPLNO-MECHANICZNE c.d.

-platerowanie powierzchni - pokrycie metalu podłoża
innym metalem lub stopem przez wytworzenie nacisku na
metal pokrywający np. przez walcowanie, detonację
w odpowiednio podwyższonej temperaturze,

-

utwardzanie

detonacyjne

metalu

przez

falę

uderzeniową

powstającą

w

wyniku

gwałtownego

odparowania metalu podłoża pod działaniem bardzo
silnie

skoncentrowanego

strumienia

elektronów

(utwardzanie elektronowe) lub fotonów (utwardzanie
laserowe) przy wzroście temperatury podłoża, bądź
detonacji materiału wybuchowego.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY CIEPLNE

W

metodach

cieplnych

wykorzystuje

się

zjawiska

związane

z oddziaływaniem ciepła na metale, w celu uzyskania:
-

zmiany

struktury

tworzyw

metalowych

w

stanie

stałym

(hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie),

- zmiany stanu skupienia: przeprowadzenie ze stanu stałego

w ciekły i następnie ponownie w stan stały tworzywa pokrywanego
(nadtapianie)

lub

pokrywającego

(napawanie,

natapianie).

Ponadto przeprowadzenie ze stanu ciekłego w stan stały
tworzywa powłokowego (powlekanie zanurzeniowe).

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie przeprowadzane przez nagrzewanie warstwy
wierzchniej metodą indukcyjną, płomieniową, plazmą, wiązką lasera i in., a następnie
chłodzenie

z

określonymi

szybkościami

wywołuje

zmiany

struktury

tworzywa

metalowego, a tym samym określone zmiany własności mechanicznych, chemicznych
i fizycznych, bez zmiany składu chemicznego.

hartowanie i odpuszczanie pozwalało na uzyskanie produktu o dobrej jakości - twardego i sprężystego np. stal damasceńska

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Nadtapianie

-

wygładzanie

powierzchni

tworzywa

metalowego albo wytworzenie struktury amorficznej (szkła
metalowego) warstwy nadtopionej różniącej się od rdzenia
własnościami fizycznymi i chemicznymi, ale zachowującej ten
sam skład chemiczny. Nadtapianie przeprowadza się przez
grzanie laserowe, elektronowe lub płomieniowe.

Napawanie - pokrywanie powierzchni metalu warstwą
stopiwa tworzącą powłokę o własnościach zbliżonych do
podłoża, w wypadku stosowania jej w celu regeneracji, lub
o właściwościach odmiennych od podłoża, w wypadku
zastosowania

jej

w

celu

podwyższenia

trwałości

eksploatacyjnej. Napawanie przeprowadza się technikami
spawalniczymi, głównie łukowymi i płomieniowymi.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY CIEPLNO-CHEMICZNE
W metodach cieplno-chemicznych wykorzystuje się połączone oddziaływanie:
- ciepła i ośrodka aktywnego względem obrabianego tworzywa metalowego, w celu
nasycenia go żądanym pierwiastkiem lub pierwiastkami wywołującymi zmiany składu
chemicznego, struktury i własności,
-ciepła i czynników chemicznych (reakcji sieciowania polimerów) na tworzywa
powłokowe w celu ich zestalenia (utwardzenia).

Nasycanie dyfuzyjne - proces nasycania warstwy wierzchniej metali pierwiastkami
zawartymi w ośrodkach stałych, ciekłych lub gazowych, w celu wywołania zmian składu
chemicznego, struktury i właściwości.
Wyróżnia

się

sposoby

obróbki

cieplno-chemicznej

typu

klasycznego

(np.

nawęglanie, azotowanie, chromowanie) określane mianem niewspomaganych, oraz
metody nasycania dyfuzyjnego z udziałem czynnika przyspieszającego i aktywującego
proces dyfuzyjny, określany jako wspomagany.

Procesy wspomagane należą do technik nowej generacji, spośród których należą tu
metody CVD (Chemical Vapour Deposition - chemiczne osadzanie z fazy gazowej)

i PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition).

Stopowanie laserowe lub elektronowe - proces nasycania, w którym występuje
mieszanie

pierwiastka

lub

pierwiastków

stopowych

z

przetopionym

bądź

nie

przetopionym materiałem podłoża oraz częściowo dyfuzja. Stopowanie przeprowadza
się za pomocą strumienia laserowego lub wiązki elektronów.

Plazma - materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek obojętnych, jak i naładowanych elektrycznie,
jednak jako całość - elektrycznie obojętna

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY ELEKTROCHEMICZNE I CHEMICZNE
W metodach elektrochemicznych i chemicznych wykorzystuje się w celu wytworzenia
powłoki metalowej (osadzanie) lub niemetalowej (osadzanie lub zestalanie) na
powierzchni metalu:
- redukcję elektrochemiczną (powłoki elektrolityczne i konwersyjne),
- redukcję chemiczną (powłoki chemiczne i konwersyjne),
- reakcję chemiczną (powłoki malarskie).

Osadzanie elektrolityczne (galwaniczne) - pokrywanie metalu stanowiącego katodę
w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie i ulegającymi redukcji
i formującymi powłokę, podczas przepływu prądu stałego przez elektrolit.

Osadzanie chemiczne (bezprądowe) - wytwarzanie powłok z metalu lub stopu
w wyniku redukcji chemicznej w kąpielach lub przez natrysk na powierzchnie metali, na
które trudno jest nałożyć powłoki elektrolityczne z powodu złożonego kształtu
pokrywanych przedmiotów.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

METODY FIZYCZNE
Metody fizyczne służą do wytwarzania na powierzchniach metali lub niemetali powłoki
związanej z podłożem adhezyjnie, a w mniejszym stopniu dyfuzyjnie, bądź też służą do
wytworzenia

warstwy

wierzchniej,

wykorzystując

różne

zjawiska

fizyczne, przebiegające pod obniżonym ciśnieniem, często z udziałem jonów, jak
naparowanie, napylenie, rozpylanie, implantowanie jonów lub pierwiastków metali i
niemetali.

Osadzanie z fazy gazowej (metody PVD - Physical Vapour Deposition - fizyczne
osadzanie z fazy gazowej) metali lub jonów polega - przy wykorzystaniu grzania
oporowego, łukowego, elektronowego laserowego - na doprowadzeniu osadzanego
trudno topliwego metalu do stanu pary i osadzeniu go przez naparowanie, napylenie
lub rozpylenie na powierzchni zimnego lub nieznacznie podgrzanego podłoża samego
metalu lub związku metalu z gazem (np. azotków, węglików, borków) przy
wykorzystaniu zjawisk elektrycznych; procesy wykorzystujące wyładowania jarzeniowe
nazywają się PAPVD (Plasma Assisted PVD - wspomagane plazmą fizyczne osadzanie
z fazy gazowej).

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Metody osadzania CVD

Materiał doprowadzany jest ze źródła
(ciała

stałego)

za

pomocą

energii

dostarczonej przez:

• przepływ prądu (ciepło)
• bombardowanie wiązka elektronów
(wyrzutnia elektronowa)
• bombardowanie jonami (rozpylanie)

Materiał może zmieniać swoją postać
chemiczną lub nie:

• proces reaktywny
• proces niereaktywny

Materiał osadzany powstaje w wyniku
reakcji chemicznej we wnętrzu reaktora

Warunki tej reakcji definiują technikę
CVD:

• ciśnienie atmosferyczne (APCVD)
• obnizone ciśnienie (LPCVD)
• dodatkowe wspomaganie plazmą
(PECVD)

Parametry procesu:

• dostarczane reagenty
• temperatura
• ciśnienie
• ew. parametry plazmy
• ew. parametry powierzchni podłoża

PV
D

CV
D

Implantowanie jonów metali i niemetali
polega na jonizacji par metalu lub gazu i przyspieszaniu jonów dodatnich za pomocą pól
elektrycznych do takich prędkości, przy których energia kinetyczna jonów wystarcza do
wniknięcia w metal czy niemetal na głębokość kilku lub więcej warstw atomowych
(implantacja jonów pierwotnych) lub wybiciu jonów wtórnych z warstwy nałożonej na
implantowane podłoże i wniknięciu tych jonów w implantowane tworzywo (implantacja
jonów wtórnych). Implantacja jonów może zachodzić również w obecności innych zjawisk
fizycznych, np. rozpylania magnetronowego - proces nazywa się wtedy mieszaniem
jonowym. Zaimplantowane jony zmieniają strukturę i skład chemiczny warstwy
wierzchniej implantowanego tworzywa, stąd implantowanie jonów określane jest też
mianem stopowania jonowego.

BIOMATERIAŁY

Warstwy wierzchnie. Struktura i właściwości warstw nakładanych. Metody obróbki.

Metody wytwarzania warstw
powierzchniowych

Implantacja jonów
Natryskiwanie cieplne
Metody PVD i CVD

Obróbki jarzeniowe (azotowanie, węgloazotowanie,
utlenianie, tlenoazotowanie)

Obróbki laserowe
Utlenianie elektrochemiczne
Metoda zol-żel

Zalety obróbek jarzeniowych:

• możliwości obróbki detali o złożonych kształtach,
• możliwość kształtowania mikrostruktury, składu

chemicznego i fazowego wytwarzanych warstw
powierzchniowych, a więc właściwości,

• charakter dyfuzyjny warstw,
• oszczędności energetyczne i materiałowe,
• możliwości wytwarzania nowych materiałów

konstrukcyjnych i funkcjonalnych poprzez wytwarzanie
warstw kompozytowych w procesach dwustopniowych np.
tlenoazotowania, węgloazotowania, azotowania
jarzeniowego w połączeniu z metodą PVD, czy też z
obróbką cieplną w warunkach wyładowania
jarzeniowego.

Metoda zol-żel

Zol - układ koloidalny w postaci cząstek

rozproszonych w cieczy lub gazie

Żel - zole, z ośrodkiem rozpraszającym w

postaci cieczy, których cząstki koloidalne
są tak blisko siebie, że układ zachowuje
stabilność kształtu.

Główne powody zainteresowania metodą zol-żel
to:

● możliwość wytworzenia, w stosunkowo prosty sposób, cienkich
powłok o grubościach

od kilku do kilkuset nm

i różnej

funkcjonalności;

● możliwość sterowania składem chemicznym i własnościami takich
powłok w znacznie szerszym zakresie, niż to ma miejsce przy
nanoszeniu innymi metodami

Metoda zol-żel

Prekursor

Alkohol

Hydolizat

Si(OC

2

H

5

)

4

tetraetoxysilan

(TEOS)
Ti(OC

4

H

9

)

4

ortobutylotytatanian

alkohol etylowy

Nanoszenie warstwy:
• napylanie
• zanurzenie
• wirowanie odśrodkowe

Suszenie (temp.
pokojowa)

Metoda zol-żel

Wygrzewanie (temp. 200 -
500

0

C)

TiO

2

SiO

2

Wpływ chropowatości podłoża na topografię warstw
TiO

2

i SiO

2

50

10

1

Podłoże:

316L

Ti6Al4V

Chropowatość powierzchni:

Ra 0,16
Ra 0,63
Ra 1,25
Ra 2,5

Metoda zol-żel

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Ra 0,16

Ra 0,63

Ra 1,25

Ra 2,5

C

h

a

n

g

e

R

a

[



]

316L+SiO2

316L+TiO2

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Ra 0,16

Ra 0,63

Ra 1,25

Ra 2,5

C

h

a

n

g

e

R

a

[%

]

Ti6Al4V+SiO2

Ti6Al4V+TiO2

Zmiana chropowatości

powierzchni podłoża po

naniesieniu warstw TiO

2

i SiO

2

Profilometr

Talyrond 395 (Taylor

Hobson)

Materiały z gradientem
funkcjonalnym

Materiały z gradientem funkcjonalnym wytwarzane
są głównie poprzez:

ciągłą zmianę morfologii substancji rozproszonej
(w przypadku materiałów kompozytowych),

ciągłą zmianę stopnia zagęszczenia materiału,

ciągłą zmianę struktury krystalicznej
poszczególnych składników materiału,

ciągłą zmianę składu chemicznego materiału

Czym jest bionika ?

BIONIKA

– nauka zajmująca się badaniem, kopiowaniem i imitowaniem

metod, rozwiązań i procesów zachodzących w naturze oraz tworzeniem ich
odpowiedników w technice, socjologii i innych dziedzinach zajmujących się
zwiększaniem komfortu życia.

wirnik śmigłowca

i nasionko klonu

„Crystal Palace”

i lilia wodna

rzep

i „Welcro”

Imitowanie i inspiracja Naturą

fresk przedstawiający staroegipskiego, skrzydlatego

boga Khensu … i współczesna realizacja marzenia o lataniu

pułapki zastawiane

przez mięsożerne rośliny

liście mimozy – biologiczny

czujnik

Przyssawki gęsto rozmieszczone

na ramionach mątwy i mata kąpielowa

z przyssawkami.

Kleszcze mrówkolwa są narzędziem

o sześciu funkcjach; za pomocą

wielofunkcyjnych kombinerek

również można przytrzymywać, skręcać,

odcinać i wbijać.

Aby zapobiec zbyt szybkiemu opadaniu,

nasiona mleczu wyposażone są w

przypominający puch "parasol”.

Skoczek spadochronowy w tym samym celu

używa cieniutkiego sztucznego jedwabiu.

BIONIKA

BIONIKA

Pajęczyna – silne włókna

Materiały biologiczne w zastosowaniach inżynierskich

Materiały biologiczne w zastosowaniach inżynierskich

Struktura typu komórkowego

Skóra rekina – efektywne pływanie

Muszle – kompozyt
organiczno-nieorganiczny

Chrząszcza - zbieranie rosy

Nano-bruzdy

Rdzeń o o strukturze plastra miodu

Płyta rezonansowa – przykład

konstrukcji przekładkowej

Konstrukcja przekładkowa z rdzeniem

o strukturze plastra miodu

Struktura plastra miodu

Struktura plastra miodu

Przykłady układu komórkowego w naturze:

wewnętrzna część korówki łodygi rośliny (c) oraz tkanki beleczkowej kości (g) (d)

c)

Struktura plastra miodu

Struktura plastra miodu

d)

Przykłady zastosowań układów komórkowych:
a) aluminiowa struktura plastra miodu, b) pianka
poliuretanowa o otwartych komórkach, c) pianka
poliuretanowa o zamkniętych komórkach

Struktura plastra miodu

Struktura plastra miodu

Efekt skóry rekina

Efekt skóry rekina

Efekt łuski rekina: Zmniejszenie turbulencji dzięki wzdłużnym mikro-rowkom

BIOMATERIAŁY

11.01.2010

Biomateriały naturalne. Implanty stomatologiczne. Polimerowe nośniki leków.

Rekiny nie posiadają hydrodynamicznych kształtów, są one jednak
niesamowicie szybkie w wodzie. Ta ryba posiada wysoko rozwiniętą
skórę, która pozwala na zminimalizowanie oporu i maksymalizowanie
skuteczności pływania.

Tajemnica skóry rekina tkwi w jej „ząbkach” z mikro-wżłobieniami.

Przypominają one miniaturowe płetwy-łopatki z brzegami w kształcie litery V.

Kiedy ciało człowieka porusza się wodzie stwarza zawirowania, których
efektem jest opór. ,,Ząbki'‘ z wżłobieniami pokrywające kombinezon
zmniejszają ten niekorzystny rezultat i umożliwiają wodzie opływać człowieka
bardziej efektywnie.

Efekt skóry rekina

Efekt skóry rekina

BIOMATERIAŁY

11.01.2010

Biomateriały naturalne. Implanty stomatologiczne. Polimerowe nośniki leków.

Zastosowanie:

• Zmniejszenie oporu na płaskich powierzchniach statków i samolotów.
• Materiały modelujące skórę rekina redukujący opory wody i powietrza.

• Skafandry do skrócenia czasu zejścia na duże głębokości.
• Wysoko wydajny i szybki system rur do dystrybucji wody.

Efekt skóry rekina

Efekt skóry rekina

BIOMATERIAŁY

11.01.2010

Biomateriały naturalne. Implanty stomatologiczne. Polimerowe nośniki leków.

Montowanie mikrożłobkowej powłoki na kadłuba Airbusa

(1% zmniejszenie zużycia paliwa lotniczego)

BIOMATERIAŁY

11.01.2010

Biomateriały naturalne. Implanty stomatologiczne. Polimerowe nośniki leków.

Efekt kwiatu lotosu

Efekt kwiatu lotosu

Święty kwiat lotosu jest

symbolem czystości w

religiach Wschodu

BIOMATERIAŁY

11.01.2010

Biomateriały naturalne. Implanty stomatologiczne. Polimerowe nośniki leków.

Kropla zabierająca brud w czasie spływania

Kropelki wody toczące się

po liściu Lotosu

Rozpuszczalny w wodzie

klej UHU ścieka z liścia

Lotosu

Miód spływający z łyżeczki z „Efektem Lotosu”

Efekt lotosu

Efekt lotosu

Zdjęcia SEM powierzchni

liścia lotosu z kroplami wody

Efekt lotosu

Efekt lotosu

Chropowatość powierzchni liścia lotosu jest wynikiem współistnienia mikro-

wypukłości i nano-włosków pokrytych kryształami wosku o średnicy 1nm.

Zbliżenie powierzchni liścia lotosu, która jest przykładem

super-hydrofobowej rośliny.

Efekt lotosu

Efekt lotosu

Brak efektu lotosu

Z efektem lotosu

Na większości roślin cząsteczki cieczy i brudu gromadzą się na

powierzchni, na liściach lotosu woda „zabiera” brud.

Kąt kontaktu około 95

0

Kąt kontaktu >110

0

płaska kropla wody

prawie okrągła kropla wody

Efekt lotosu

Efekt lotosu

Kropla wody na liściu azjatyckiej rośliny Colocasia esculenta

absorbuje cząsteczki brudu w trakcie toczenia się po jej powierzchni.

Powierzchnie liścia pokrywają 510 mikrometrowe wypustki

(wysokość), które są pokryte przez cienką nanostrukturę wosku.

Efekt lotosu

Efekt lotosu

Samo oczyszczanie

30 μm

Produkt

Bioniczny

Rozwój farb z

wykorzystaniem efektu

lotosu (Lotus-Effect

®

)

Powierzchnia

liścia lotosu

Efekt lotosu

Efekt lotosu

ZAGADNIENIA APLIKACJI

WYROBÓW MEDYCZNYCHOGII

na podstawie wykładu prof

na podstawie wykładu prof. dr hab. inż.

. dr hab. inż. Jana

Jana

Marciniaka

Marciniaka

IDENTYFIKACJA POTRZEB
• Postać funkcjonalna wyrobu
• Kryteria jakości

-Lekarz/Bioinżynier

• Zakres zastosowania

R

E

A

L

I

Z

A

C

J

A

(

W

D

R

A

Ż

A

N

I

E

)

DZIAŁANIE

WYKONAWCA

ANALIZA RYZYKA -Lekarz/Bioinżynier
PROJEKT WYROBU

BADANIE MATERIAŁÓW „in vitro”
• Struktura i własności mechaniczne
• Struktura i własności fizykochemiczne

powierzchni

- Bioinżynier

• Reakcje biologiczne

- Biochemik

- reakcje białkowe

- Lekarz weterynarii

- aktywacja komórkowa
- reakcje tkankowe

DOPUSZCZENIE WYROBU

• Identyfikacja wyrobu (klasa)

Urząd Rejestracji Produktów

• Ocena typu wyrobu medycznego

Leczniczych, Wyrobów Medycznych

• Deklaracja zgodności

i Produktów Biobójczych

• Certyfikat oceny typu

- Specjaliści ds. jakości

Jednostki służby zdrowia - Lekarze

POMYSŁ

PACJENT

DOBÓR OPTYMALNYCH
BIOMATERIAŁÓW
• Analiza biomechaniczna -Bioinżynier
• Dobór biomateriałów
• Dobór warstw powierzchniowych

WYRÓB FINALNY
• Cechy geometryczne wyrobu

- Bioinżynier

• Cechy użytkowe wyrobu

STERYLIZACJA

- Bioinżynier

I PAKOWANIE

TESTOWANIE WYROBU

JEDNOSTKI CERTYFIKUJĄCE

(Procedury oceny zgodności) I NOTYFIKOWANE
• Własności mechaniczne

i fizykochemiczne

- Bioinżynier

• Własności użytkowe

- Lekarz specjalista

• Testy „in vivo” na zwierzętach

- Lekarz weterynarii

• Testy „in vivo”, kliniczne

- Lekarz kliniczny

Faza

projektowania

Faza

produkcji

Faza

badawcza

Faza

kwalifikacji

(Ocena zgodności

wyrobu)

Faza

wprowadzenia

wyrobu do obrotu

i do używania

Faza

użytkowania

wyrobu

IDENTYFIKACJA POTRZEB
• Postać funkcjonalna wyrobu
• Kryteria jakości

-Lekarz/Bioinżynier

• Zakres zastosowania

R

E

A

L

I

Z

A

C

J

A

(

W

D

R

A

Ż

A

N

I

E

)

DZIAŁANIE

WYKONAWCA

ANALIZA RYZYKA -Lekarz/Bioinżynier
PROJEKT WYROBU

BADANIE MATERIAŁÓW „in vitro”
• Struktura i własności mechaniczne
• Struktura i własności fizykochemiczne

powierzchni

- Bioinżynier

• Reakcje biologiczne

- Biochemik

- reakcje białkowe

- Lekarz weterynarii

- aktywacja komórkowa
- reakcje tkankowe

DOPUSZCZENIE WYROBU

• Identyfikacja wyrobu (klasa)

Urząd Rejestracji Produktów

• Ocena typu wyrobu medycznego

Leczniczych, Wyrobów Medycznych

• Deklaracja zgodności

i Produktów Biobójczych

• Certyfikat oceny typu

- Specjaliści ds. jakości

Jednostki służby zdrowia - Lekarze

POMYSŁ

PACJENT

PACJENT

DOBÓR OPTYMALNYCH
BIOMATERIAŁÓW
• Analiza biomechaniczna -Bioinżynier
• Dobór biomateriałów
• Dobór warstw powierzchniowych

WYRÓB FINALNY
• Cechy geometryczne wyrobu

- Bioinżynier

• Cechy użytkowe wyrobu

STERYLIZACJA

- Bioinżynier

I PAKOWANIE

TESTOWANIE WYROBU

JEDNOSTKI CERTYFIKUJĄCE

(Procedury oceny zgodności) I NOTYFIKOWANE
• Własności mechaniczne

i fizykochemiczne

- Bioinżynier

• Własności użytkowe

- Lekarz specjalista

• Testy „in vivo” na zwierzętach

- Lekarz weterynarii

• Testy „in vivo”, kliniczne

- Lekarz kliniczny

Faza

projektowania

Faza

produkcji

Faza

badawcza

Faza

kwalifikacji

(Ocena zgodności

wyrobu)

Faza

wprowadzenia

wyrobu do obrotu

i do używania

Faza

użytkowania

wyrobu

Start

Opis wyrobu:
• klasyfikacja
• zastosowanie
• cechy wyrobu
Cele jakościowe wyrobu

Przegląd umowy
• wymagania
• zdolności zakładu
• możliwości wykonania
• terminy i realizacja
• przygotowanie produkcji
• aspekty ekonomiczne

Identyfikacja dostawców
• nadzór nad surowcem dostarczonym przez dostawcę
• weryfikacja zakupionego materiału
• zakupy
• ocena podwykonawców

Dostawca z certyfikatem

Dostawca bez certyfikatu

Sterowanie projektowaniem
• określenie cech materiału wejściowego
• opracowanie harmonogramu prac projektowych
• obliczenia sprawdzające
• raporty badań
• przewidywana metoda produkcji
• techniki użyte do kontroli i weryfikacji projektu

Zgodność projektu

z zamierzeniami

ETAP PRZEDPRODUKCYJNY

ETAP PRODUKCYJNY

ETAP POPRODUKCYJNY

Nie

• sprawdzenie dokumentacji
• badanie typu EC

• badanie surowca wg norm
• badanie typu EC

Zgodność wyników

badań z wymaganiami

Zwrot

Przekazanie do produkcji

Koniec

Nie

Tak

 obróbka mechaniczna
 nadanie kształtów i wymiarów

o tolerancji wymienionej

w dokumentacji technicznej

Kontrola zgodności

z wytycznymi

umowy

Zgodność

wymiarów

z

wytycznymi

Nadzorowanie wyrobu

niezgodnego

z wymaganiami

Obróbka powierzchniowa

Kontrola i badania ostateczne

Nadanie wyrobom numerów

identyfikacyjnych

Sterylizacja, pakowanie, przechowanie, tran

sport

Wynik

kontroli

pozytywny ?

Działania

korygujące

i zapobiegawcze

Surowiec, r
ysunki i

wytyczne
projektowe

ETAP PRZEDPRODUKCYJNY

ETAP PRODUKCYJNY

ETAP POPRODUKCYJNY

Nie

Nie

Tak

Znakowanie
Złomowanie

Poprawa
możliwa

?

Nie

Tak

Tak

Konie
c

Star

t

Start

Wybór akredytowanej organizacji
certyfikującej

 złożenie wniosku o certyfikacje
 zawarcie umowy

Kontrola systemu jakości, audit
wstępny

 badanie dokumentacji projektu
 badanie typu EC
 ocena kliniczna
 sprawdzanie i ocena
dokumentacji

Lista pytań

Audit certyfikujący

Wynik

auditu

pozytywny

Sporządzenie deklaracji zgodności
CE

Wydanie certyfikatu

Zgłoszenie o wpis do Rejestru Wytwórców i

Wyrobów Medycznych

Uzyskanie świadectwa rejestracji

Okresowy audit

nadzorujący

Ponowna certyfikacja co 3

lata

Księga

jakości i

przynależna

dokumentacj

a

Koniec

ETAP

PRZEDPRODUKCYJNY

ETAP PRODUKCYJNY

ETAP POPRODUKCYJNY

Nie

Tak

Dokumentacja wdrożeniowa wyrobu medycznego

Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych

1. Nazwa i klasa wyrobu
2. Przeznaczenie wyrobu

A.

Dane wejściowe do projektowania

1. Określenie wymagań funkcjonalnych oraz bezpieczeństwa

2. Określenie wymagań ustawowych i norm zharmonizowanych

3. Informacje dotyczące innych rozwiązań stosowanych na świecie
4. Inne wymagania (prawa ochronne)
5. Określenie ryzyka na etapie projektowania

B.

Faza projektowania

1. Dokumentacja rysunkowa prototypu
2. Karta technologiczna i instrukcja kontroli jakości

B1. Przegląd projektu

1. Kompatybilność projektu z innymi rozwiązaniami

2. Nowe przyrządy, materiały, programy, opakowania

Dokumentacja wdrożeniowa wyrobu medycznego

B2. Weryfikacja projektu

1. Nowe obliczenia wytrzymałościowe

2. Wymagania określone w danych wejściowych i ryzyko podstawowe

B3. Faz wykonania prototypu

B4. Wewnętrzna ocena i weryfikacja prototypu

1. Zgodność prototypu z projektem i czy spełnia dane wejściowe

2. Czy prototyp wymaga przeprowadzenia oceny zewnętrznej

B5. Opracowanie projektu i instrukcji stosowania

B6. Analiza ryzyka na etapie oceny projektu

B7. Badania kliniczne (Komisja Bioetyczna)

B8.Analiza ryzyka resztkowego

B9. Walidacja prototypu

B10 Wykonanie i pełna ocena jakości serii

Dokumentacja wdrożeniowa wyrobu medycznego

C. Dane wyjściowe z projektowania

1. Spełnienie wymagań danych wejściowych, bezpieczeństwa i kryteriów

jakościowych przyjęcia wyrobu

2. Kompletność dokumentacji dotyczące procesu produkcji, kontroli, dopuszczenia

do rejestracji produktu

D. Zbiór dokumentacji technicznej EC

1. Deklaracja zgodności

2. Oświadczenie zgodności

3. Nowe normy dotyczą CE wyrobu czy jakości stosowanych materiałów

4. Zbiór uporządkowanej dokumentacji Technicznej EC

5. Wystąpienie o uzyskanie wpisu do Rejestru Wyrobów Medycznych

6. Dopuszczenie wyrobu, opakowania, oznakowania i instrukcji stosowania do

produkcji i sprzedaży

7. Wprowadzenie wyrobu do katalogu i oferty sprzedaży