1. Biomimetyka jest nauką zajmującą się rozwiązaniami technicznymi, materiałami, strukturami i procesami

powstałymi z inspiracji natury. Jest to interdyscyplinarna nauka badająca budowę i zasady działania organizmów
oraz ich adaptowanie w technice
i budowie urządzeń technicznych na wzór organizmu.
Przykłady:
Niektóre stworzenia potrafią chodzić po gładkich powierzchniach, takich jak ściana czy szyba.
Rekordzistami są gekony, które potrafią zawisnąć na czubku palca przyklejonego do podłoża. Wyniki pracy nad
elektromagnetycznym oddziaływaniu włosków gekonów pozwoliły na wyprodukowanie pierwszego syntetycznego
"kleju gekona" na University of California w Berkeley. Okazało się, że najważniejsze są wymiary włosków - im
mniejsze, tym lepiej przylegają.
Korzystając z podglądania żyjącej w Morzu Czerwonym ryby o nazwie boxfish Mercedes-Benz zaprojektował
samochód uzyskujący rewelacyjne właściwości aerodynamiczne oraz użytkowe.
Na uniwersytecie stanu Michigan powstał sztuczny wąż, który ma ułatwiać poszukiwanie ofiar katastrof. Potrafi się
przeciskać przez niedostępne dla ratowników zwały gruzu, bez oporu pełza po schodach, które grożą zawaleniem.

2. Pokrycia ceramiczne na implantach metalicznych.

Biozgodność implantów metalicznych, materiałów węglowych oraz ceramiki inertnej
można znacznie podwyższyć poprzez naniesienie na ich powierzchnię cienkiej warstwy
hydroksyapatytowej. Takie materiały łączą w sobie niejednokrotnie wysoką wytrzymałość
mechaniczną z bardzo dobrą zgodnością biologiczną z tkankami żywego organizmu, wobec
których wykazują wówczas cechy bioaktywności. Głównym, stosowanym na skalę przemysłową sposobem
nanoszenia powłok HAp jest technika plazmowa.

3. Zjawisko pamięci kształtu polega na tym, że odkształcony plastycznie w niższej temperaturze stop odzyskuje

swój początkowy kształt w temperaturze wyższej.
PRZEDSTAWICIEL GRUPY: Ni-Ti „Nitinol”
1. Implanty z pamięcią kształtu do łączenia złamań kości :
-klamry do łączenia złamań kości,
-klamry do łączenia złamań żuchwy,
-zastosowanie klamer w ortopedii,
-zastosowanie obejm do osteosyntezy kości długich,
-obejmy do leczenia złamań żeber,
-tulejki śródszpikowe do łączenia złamań kości,
-klamry i płytki w plastyce czaszki;
2. Implanty z pamięcią kształtu w chirurgicznym leczeniu kręgosłupa
-klamry dekompresyjne,
-klamry kompresyjne,
-klamry do korekcji skoliozy,
-proteza dysku międzykręgowego,
-korekcja skoliozy zmianą kształtu implantu;

4. Rodzaje biokorozji

Pitting (korozja wżerowa) - Uszkodzenie warstwy wierzchniej powoduje powstanie wyrwy, do której dostaje
się substancja smarująca. Wyrwa wypełniona smarem zostaje poddana działaniu siły (np. dociśnięcie wyrwy w
bieżni kulką w łożysku tocznym) co powoduje zwiększeniu ciśnienia i powiększaniu się uszkodzenia.
Fretting –zjawisko zużywania pojawiającej się na styku dwóch powierzchni będących we wzajemnym ruchu
oscylacyjnym o małej amplitudzie. Fretting jest to więc kompleks zjawisk zachodzących na powierzchni styku. Nie
ma odpowiednika słowa fretting w języku polskim. Jako graniczną wartość maksymalną amplitudy dla frettingu
przyjmuje się na ogół 70 do 100 m, aczkolwiek niektórzy autorzy uważają, że tą graniczną wartość stanowi około
300 m.
Zjawisko frettingu powoduje dwa zasadnicze skutki :
• zużycie frettingowe jako ubytek masy,
• powstawanie pęknięć zmęczeniowych na powierzchni wżeru frettingowego, które mogą być być początkiem
głębokich pęknięć zmęczeniowych, jeżeli zjawisko frettingu towarzyszy zmiennemu obciążeniu.
Zużycie frettingowe powstaje jako suma zużycia adhezyjnego, zmęczeniowego,
ściernego i korozyjnego. Zużycie frettingowe powoduje utratę wcisku pomiędzy
elementami bądź też zmianę warunków rozkładu obciążenia co może prowadzić do dalszych uszkodzeń.
Korozja szczelinowa - Ten typ korozji pojawia się w szczelinach i zagłębieniach konstrukcyjnych, pod

uszczelnieniami (rys. 7), główkami śrub i nitów, pod osadami i zgorzeliną oraz we wszelkiego rodzaju pęknięciach.
Schemat korozji szczelinowej pod podkładką (Sandvik Steel, Corrosion Handbook, 1999) Korozja szczelinowa
powstaje w wyniku stopniowego zanikania warstewki pasywnej w szczelinach, w których na skutek utrudnionego
napowietrzenia i zahamowanego dopływu tlenu, warstewka ta nie może się zregenerować. Zapobieganie korozji
szczelinowej polega głównie na eliminowaniu szczelin, zwłaszcza konstrukcyjnych, już na etapie projektowania
aparatów i urządzeń produkcyjnych.
Korozja stykowa (galwaniczna) – Korozja ta jest wywołana stykiem dwóch metali lub stopów o różnych
potencjałach, w konsekwencji czego powstaje ogniwo galwaniczne. Skuteczność działania ogniwa zwiększa się ze
wzrostem różnicy potencjałów stykających się ze sobą dwóch metali w środowisku korozyjnym, np. zawierającym
jony chlorkowe. Połączenie stali z metalem o innym elektrochemicznym potencjale, przy udziale elektrolitu
sprawia, że metal mniej szlachetny ulega intensywnemu rozpuszczaniu, zwłaszcza gdy: jego powierzchnia jest
znacznie mniejsza w porównaniu z powierzchnią metalu bardziej szlachetnego, temperatura elektrolitu jest
wysoka.
Korozja międzykrystaliczna – Korozja międzykrystaliczna należy do najbardziej groźnych typów korozji.
Atakuje stale nierdzewne wzdłuż granic ziaren. Agresywne środowisko korozyjne bądź„wyłuskuje” poszczególne
ziarna z powierzchni stali, zmniejszając tym samym grubość ścianek urządzenia produkcyjnego, bądź też bez
dostrzegalnych oznak zewnętrznych narusza spójność pomiędzy poszczególnymi ziarnami w takim stopniu, że stal
już po lekkim uderzeniu rozsypuje się na proszek.Stale nierdzewne korodują międzykrystalicznie wówczas, gdy
równocześnie:są skłonne do tego typu korozji, zostały nagrzane do temperatur niebezpiecznych, wynoszących dla
stali austenitycznych od 450 do 8500C, stykają się ze środowiskiem wywołującym ten typ korozji, np. z HNO3,
mieszaniną H2SO4 i CuSO4 itd.
Korozja zmęczeniowa – Zjawisko korozji zmęczeniowej jest zjawiskiem występującym na skutek współdziałania
środowiska korozyjnie agresywnego i cyklicznych lub zmiennych naprężeń, co w konsekwencji prowadzi do
pękania metalu. Oddziaływanie naprężeń sprawia, że zostaje naruszona warstewka ochronna (warstewka
pasywna) na stali odpornej na korozję, skutkiem czego atakowany jest obszar metalu niechronionego
(odsłoniętego). W przeciwieństwie do zjawiska korozji naprężeniowej stali austenitycznych, którą wywołują
halogenki (a zwłaszcza chlorki) i ługi, korozja zmęczeniowa może się praktycznie pojawić w dowolnym środowisku
wodnym, takim jak: para wodna, gorąca woda, wody naturalne (słone, słodkie), wody kondensacyjne, roztwory
chemiczne, wilgotne powietrze. Badania zjawiska korozji zmęczeniowej stali austenitycznych i stopów,
przeprowadzone w wodzie morskiej wskazują, że zasadniczy wpływ na odporność na ten typ korozji wywierają:
wytrzymałość materiału na rozciąganie, składniki stopowe polepszające pasywność stali oraz wielkość ziarna. A
zatem zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie, zwiększenie zawartości Cr, Mo i N, a także zmniejszenie
wielkości ziarna sprzyjają zwiększeniu odporności stali na korozję zmęczeniową.
korozja wodorowa (choroba wodorowa stali lub miedzi, wodorowe zużycie metalu). Zachodzi ona z udziałem
wodoru atomowego, którego mały promień atomowy umożliwia niemal swobodną dyfuzję przez sieć krystaliczną
metalu. Rekombinacja cząsteczek dwuatomowych w zdefektowanych fragmentach struktury, gdzie zostają
uwięzione (pułapkowanie), powoduje wzrost naprężeń w otoczeniu. Dodatkowo zachodzą reakcje chemiczne, np.
powierzchniowe odwęglanie ziaren stopów żelaza z węglem z utworzeniem metanu uwięzionego w „pułapkach”
sieciowych, lub powstawanie pary wodnej wewnątrz struktury stopów miedzi, zawierających tlenki miedzi[7].

5.

„Sztuczna kość” – dwie częśći – organiczna i nieorganiczna

W stanie suchym jest twarda, biała, przypomina kość naturalną .
Gdy się ją namoczy, staje sie giętka, elastyczna i dzięki sprężystości łatwo dostosowuje sie do kształtu ubytku
,który wypełnia. Jak to działa? Umieszczenie suchego kompozytu w np.osoczu,buforowanym rozwtorze soli.
Nasiaknięcie materiału. Odpowiednie przycięcie materiału i wpasowanie w ubytek
Cementy chirurgiczne –znalazły zastosowanie w chirurgii narządów ruchu jako cementy kostne
wykorzystywane w alloplastyce cementowej stawów

6. Definicja i ocena biozgodności (in vitro i in vivo)

1. O materiale, że jest biozgodny mówi się wtedy, gdy wszczepiony do organizmu wywołuje
prawidłową reakcję, spełniając jednocześnie specyficzne wymagania gospodarza.
Zgodnie ze standardami ISO, żeby ocenić biozgodność materiału, należy wykonać szereg
Testów:
Test genotoksyczności, karcenogenności
Toksyczność związana z rozrodczością
Reakcja krwi
Cytotoksyczność in vitro

Lokalny efekt po wszczepieniu materiału
Toksyczność ogólnoustrojowa
Wpływ sterylizacji
Testy oceniające wrażliwość i reakcje alergiczne na obecność materiału
Identyfikacja i ocena jakościowa produktów degradacji
Ocena biozgodności zgodnie z międzynarodową normą, wymaga przeprowadzenia zarówno badań In vitro na
izolowanych komórkach lub tkankach jak też badać In vivo na zwierzętach i próbach przedklinicznych.
Badanie In vitro polega na przeprowadzeniu badań biozgodności na izolowanych ściśle określonych komórkach lub
tkankach w warunkach laboratoryjnych. Badania te nie pozwalają na dokładne odtworzenie wszystkich czynników
panujących w żywym organizmie, niemniej są doskonałym sposobem na wstępne określenie zachowania się
żywych komórek w obecności badanego materiału. Do podstawowych badań In vitro należą badania pozwalające
na określenie cytotoksyczności biologicznej materiał.
Pomyślne przejście przez badany materiał testów In vitro pozwala skierować go do badań In vivo, polegających
na wszczepieniu badanego materiału pod skórę lub bezpośrednio do określonego organu w pierwszej kolejności
zwierzęcia laboratoryjnego a następnie na etapie prób klinicznych, wybranej grupy ludzi.

7. Materiały dla medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkankowej

Medycyna regeneracyjna - Jej zadaniem jest naprawianie, odnawianie uszkodzonej tkanki.
Wyróżniane są terapie:
* Komórkowa - wykorzystywane są same komórki bez podłoży
* Wykorzystująca biomateriał - tworzywo może służyć jako rusztowanie dla komórek (tak jak w inżynierii

tkankowej) lub jako nośnik leków bądź genów
Inżynieria tkankowa - Jej zadaniem jest produkcja tkanki z komórek, w warunkach in vitro, na odpowiednich

podłożach. Inaczej jest to: „ Interdyscyplinarna dziedzina, która stanowi połączenie zasad inżynierii z naukami
przyrodniczymi w celu wykorzystania substytutów biologicznych, które pozwalają odbudować, zachować lub
poprawić funkcje tkanek.”

Potencjalne komórki macierzyste stosowane do leczenia schorzeń dzielą się na :
* Komórki pobierane ze szpiku kostnego,

* Komórki pobierane z krwi pępowinowej,
* Komórki z krwi obwodowej,

* Komórki embrionalne.
Warunki hodowli komórkowej in vitro mają znaczący wpływ na uzyskane wyniki odpowiedzi komórkowej na
badany materiał. Hodowle prowadzone w reaktorach, w warunkach dynamicznych.

Komórki macierzyste, odznaczające się nieograniczoną zdolnością do podziałów, samoodnawiania i tworzenia
różnych tkanek organizmu. Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje komórek macierzystych: pluripotencjalne

embrionalne, czyli wywodzące się z puli komórek zarodka oraz komórki macierzyste tkanek o ograniczonym w
stosunku do komórek embrionalnych potencjale (multipotencjalne).
Krew pępowinowa - Jest źródłem krwiotwórczych komórek macierzystych. Komórki macierzyste pochodzące z krwi

pępowinowej, podobnie jak komórki szpiku, mogą być przeszczepiane w celu odbudowania układu
krwiotwórczego i odpornościowego i wykazują przy tym większą skuteczność niż komórki macierzyste pozyskane

od dawców dorosłych. Mają dużą zdolność namnażania się po przeszczepieniu.
Biomateriały pierwszej generacji - Materiały z lat 50, są obojętne (inertne) w stosunku do otaczających je tkanek-
nietoksyczne, niealergizujące, Dobrza integrują z otaczającą tkanką. W 1986r- definicje „biomateriał-materiał

nieożywiony stosowany w wyrobach, urządzeniach lub przyrządach medycznych, przeznaczony do oddziaływania z
systemami biologicznymi” i „biozgodność- zdolność materiału do spełniania konkretnego zadania, z akceptowalną

odpowiedzią gospodarza”
Biomateriały drugiej generacji - Biomateriały bioaktywne wykonane z fosforanu wapnia, hydroksyapatytu,

bioszkieł – łączą się bezpośrednio z tkanką kostną za pomocą wiązań chemicznych. W postaci litej, porowatej,
granul. Polimery resorbowalne- w środowisku tkanek ulegają hydrolizie i rozpadają się do związków
występujących powszechnie w żywych komórkach.
Biomateriały trzeciej generacji - Skłonienie organizmu do regeneracji uszkodzonych tkanek, poprzez stworzenie
mu optymalnych warunków do zajścia tego procesu; Odpowiednio zaprojektowane biomateriały, które pełniłyby

rolę rusztowań, nośników; Biologicznie aktywne na poziomie molekularnym; Stymulacja regeneracji pożądanych
tkanek, a nawet całych organów.
Wśród materiałów pierwszej i drugiej generacji wykorzystywanych w medycynie do odbudowy ubytków kostnych

wyróżniamy:
* Metale

* Polimery (kolagen, elastyna,alginiany)
* Bioceramikę (korundowa, cyrkonowa, oparta o fosforany wapnia)

* Kompozyty (np. na bazie ceramiki i polimerów)
* Szkło-ceramikę

Trójwymiarowe skafoldy dla inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej stanowią czasowe podłoże dla
komórek we wczesnym etapie implantacji. Rusztowania mogą stanowić np. modyfikowane chemicznie siateczki

metalowe oraz kształtki z różnego typu fosforanów.
Bioaktywne skafoldy w połączeniu z komórkami są wielofunkcyjnymi materiałami implantacyjnymi trzeciej

generacji. Są one tak projektowane, by wykazywały biologiczną aktywność , czyli reagowały z białkami na
poziomie MOLEKULARNYM.
10. Polimery dla medycyny

Polimery są to wielkocząsteczkowe związki chemiczne naturalne i syntetyczne. Powstają przez połączenie małych
cząsteczek zwanych monomerami, w długie łańcuchy lub struktury przestrzenne.

Polimery dzielą się na:
* Naturalne

* Syntetyczne
* Modyfikowane
Zastosowanie polimerów biomedycznych:

* Do krótkotrwałego kontaktu materiału polimerowanego z zewnętrznymi częściami organizmu np. łopatki,
wzierniki, strzykawki

* Do długotrwałego kontaktu zewnętrznych części organizmu z polimerami np. protezy kończyn, protezy
dentystyczne, soczewki kontaktowe
* Do długotrwałego kontaktu wewnętrznych części organizmu z polimerami np. protezy naczyń krwionośnych,

stawów, ścięgien, sztuczne zastawki serca
* Do budowy narzędzi, urządzeń i części aparatury np. przewody, rurki, dreny, części aparatury do hemodializy i

sztucznych serc
* Środki farmakologiczne: wprowadzające leki do organizmu, drażetki, opakowania pigułek, krwiozastępcze

Polimery stosowane do wyrobu pomocniczego sprzętu medycznego:
* Polietylen i polipropylen: rękawice ochronne jednorazowego użytku, strzykawki jednorazowe, rozgałęźniki i
łączniki do drenów, naczynia laboratoryjne, ściany namiotów tlenowych

* Poli(chlorek winylu): cewniki, ustniki do podawania powietrza, rurki i pojemniki do przetaczania krwi, wzierniki
laryngologiczne

* poliamidy
Polimery w stomatologii:
* Protezy stomatologiczne wykonuje się z kopolimeru metakrylanu metylu z niewielkim udziałem metakrylanu

etylu i metakrylanu butylu
* Sztuczne zęby oraz wypełniania zębów są wykonywane na podstawie mieszaniny monomerów dimetakrylanu

etylenu i dimetakrylanu Bisfenolu A. W celu wzmocnienia
mechanicznego struktury zębów do mieszaniny dodaje się wypełniacze np. sproszkowane szkła nieorganiczne
(do70% mas).

Polimery w chirurgii kostnej wykorzystywane są do protez:
* Ścięgien

* Stawów biodrowych
* Stawów ręki

* Kości
Najczęściej stosowanymi polimerami do rekonstrukcji kości są:
* Poli(kwas glikolowy)

* Poli(kwas mlekowy)
Syntetyczne nici chirurgiczne - Służą do łączenia ze sobą tkanek podczas operacji chirurgicznych. Współczesne

nici chirurgiczne dzieli się na: Resorbujące się (wchłaniane) w tkankach i ulegające biodegradacji.
Nici chirurgiczne wyrabia się z włókien:
* Polipropylenowych

* Poliestrowych
* Poliamidowych

* Chitozanowych
Protezy naczyń krwionośnych - Do budowy protez krwionośnych najczęściej używa się dzianiny z

politetrafluoroetylenu lub poliestrów.
Sztuczna skóra - Używa się jej w przypadku ciężkich oparzeń od 2. do 4. stopnia w zależności od głębokości jej
uszkodzenia. Opatrunki ze sztucznej skóry wytwarza się najczęściej z:

* chitozanu
* polidisacharydu – siarczanu chondroityny

Polimery resorbowalne:
* poli(kwas mlekowy)
* poli(kwas glikolowy)

* Poli(ε-kaprolakton)

8. Ceramiczne nośniki leków

Ceramiczne nośniki leków - Pełnią rolę wypełniaczy ubytków kostnych, które równocześnie dostarczają leki
bezpośrednio do kości.

Systemy homogeniczne:
* Cementy fosforanowo-wapniowe

* Bioszkła - są to głównie związki krzemianowo-fosforanowe, ich składniki uczestniczą w procesach
metabolicznych organizmów żywych i wiążą się trwale z tkankami. Wiązanie to odbywa się poprzez wytworzenie
na powierzchni szkła warstwy hydroksyapatytu węglanowego czyli mineralnego składnika kości.

Systemy heterogeniczne:
* TCP

* Ceramika korundowa
Kinetyka - Matematyczne modele opisujące profil uwalniania farmaceutyku opierają się na procesie jego

rozpuszczania i dyfuzji przez warstwę biomateriału. Równaniem opisującym profil uwalniania leku w układzie
homogenicznym (lek równomiernie rozprowadzony w całej objętości tworzywa implantacyjnego) - jest równanie
Higuchiego.

Skeletal drug delivery system - implantów kostnych wraz z antybiotykami pozwala uniknąć powikłań
pooperacyjnych oraz sprawia że stężenie leku w tej tkance jest nawet kilkaset razy wyższe niż przy jego podaniu

w sposób konwencjonalny.

9. Zastosowanie bioceramiki hydroksyapatytowej.
Syntetyczny HAp –proszek
Biologiczne leczenie miazgi zęba

Leczenie ubytków szkliwa, starć patologicznych
Leczenie kanałów korzeniowych

Dodatek cementów dentystycznych
Pokrycia implantów
HAp- granule

Leczenie kieszonek kostnych
Wypełnienie ubytków kostnych w otopedii
Uzupełnianie ubytków kostnych po hemisekcji, radektomii, amputacji korzenia zęba
Wypełnianie ubytków po torbielach

HAp- kształtki porowate
Wypełnianie poekstrakcyjne zębodołów
Wypełnianie ubytków kostnych

Nośnik leków
Podłoże do hodowli komórek

Kształtki gęste
Implanty kostne dna oczodołu
Implanty ucha środkowego

Implanty PD
Podłoże hodowli tkanek

10. Właściwości i zastosowanie bioceramiki korundowej
Ceramikę korundową stosuje się głównie w endoprotezoplastyce stawów (rys. 7.10),
szczególnie biodrowego i kolanowego. Ceramika korundowa ma znakomitą biozgodność i odporność na ścieranie ,
jednak wykazuje umiarkowaną jak na nowoczesny, ceramiczny materiał konstrukcyjny wytrzymałośc mechaniczną
na zginanie i odporność na pękanie. Z tego powodu średnice większości korundowych głów endoprotez stawu
biodrowego są ograniczone do 32 mm.
Właściwości:
- są całkowicie biozgodne,
- przerastają pełnowartościową tkanką kostną,
- posiadają wytrzymałośd mechaniczną wystarczającą do wielu rodzajów zabiegów oraz
zapewniającą swobodę manipulacyjną w trakcie operacji,
- po przerośnięciu posiadają odpowiedni moduł sprężystości, co zapewnia dobrą ich współpracę z
kością,
- dają się obrabiad dla uzyskania żądanego kształtu,
- pozwalają na sterylizację dowolną metodą
Zastosowanie:
a) przy wypełnianiu ubytków kostnych w następstwie usunięcia torbieli (kości: biodrowe, kooczyn,
nadgarstka, stępu),
b) przy wypełnianiu ubytków kostnych pooperacyjnych (osteotomia) np. kości miednicy lub stępu,
c) jako wszczepy po urazowych uszkodzeniach trzonów kręgów,
d) do wypełnieo ubytków ognisk nowotworowych.

11. Rola porowatości w implantach kostnych
W chirurgii naprawczej kości ważnym problemem jest uzyskanie trwałego i stabilnego
zespolenia wszczepu lub wypełnienia z żywą tkanką kostną przez wrośniecie jej w pory
materiału. Odpowiedni rozmiar porów i połączeń miedzy porami decyduje o przenikaniu i mineralizacji tkanki,
dając dobre i trwałe połączenie implantu z kością. Można je otrzymać przez spiekanie proszków szkieł
fosforanowych o odpowiedniej zdolności krystalizacyjnej z substancjami rozkładającymi się w temperaturach ich
spiekania z wydzieleniem składników gazowych, które działają spieniająco. Stosowane jest też spienianie z
wymywanym wypełniaczem nieorganicznym, z wykorzystaniem podłoża organicznego, oraz inne techniki
stosowane w produkcji porowatej ceramiki .Wszczepy kostne z tych tworzyw łatwo zrastają się z tkanką kostną.