Wykład 3

Grupy biomateriałów:

•

metalowe,

• ceramiczne,

• polimerowe,

• węglowe,

• kompozytowe

.

Implanty

Implantami nazywamy wszelkie
przyrządy medyczne wykonane z
jednego lub więcej biomateriałów,
które mogą być umieszczone
wewnątrz organizmu, jak również
umieszczone częściowo lub
całkowicie pod powierzchnią
nabłonka, i które mogą pozostać
przez dłuższy okres w organizmie.

Implanty

• wiązania (zespolenia)
• szynowanie
• aparat dociskowy

• endoprotezy stawów
• steny (naczynia

krwionośne)

Chemia metali

Pierwiastki chemiczne elektro-dodatnie oddające elektrony
– wykazują własności:

• gładka powierzchnia z połyskiem ,
• ciągliwość i kowalność,
• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
• skłonność do tworzenia związków chemicznych zasadowych i

nukleofilowych.

Metale dzielimy na:
• Metale alkaliczne (litowce),
• Metale ziem alkalicznych (berylowce),
• Metale przejściowe,
• Metale ziem rzadkich.

Otrzymywanie metali

Z rud za pomocą:
• pirometalurgii ( hutnicze),
• elektrometalurgii ( elektroliza soli)
• hydrometalurgii ( ługowanie rozpuszczonych)
• hydroelektrolizy z roztworu wodnego

Układ okresowy pierwiastków zgodny z zaleceniami

IUPAC

Grupa

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Okres

1

1

H

2

He

2

3

Li

4

Be

5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

3

11

Na

12

Mg

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

4

19

K

20

Ca

21

Sc

22

Ti

23

V

24

Cr

25

Mn

26

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

5

37

Rb

38

Sr

39

Y

40

Zr

41

Nb

42

Mo

43

Tc

44

Ru

45

Rh

46

Pd

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

6

55

Cs

56

Ba

57

La

*

72

Hf

73

Ta

74

W

75

Re

76

Os

77

Ir

78

Pt

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

84

Po

85

At

86

Rn

7

87

Fr

88

Ra

89

Ac

**

104

Rf

105

Db

106

Sg

107

Bh

108

Hs

109

Mt

110

Ds

111

Rg

112

Uub

113

Uut

114

Uuq

115

Uup

116

Uuh

117

Uus

118

Uuo

8

119

Uue

120

Ubn

121

Ubu

122

Ubb

Lantanowce

*

58

Ce

59

Pr

60

Nd

61

Pm

62

Sm

63

Eu

64

Gd

65

Tb

66

Dy

67

Ho

68

Er

69

Tm

70

Yb

71

Lu

Aktynowce

*
*

90

Th

91

Pa

92

U

93

Np

94

Pu

95

Am

96

Cm

97

Bk

98

Cf

99

Es

100

Fm

101

Md

102

No

103

Lr

Legenda do układu okresowego

Metale alkaliczne

Metale ziem alkalicznych

Lantanowce

Aktynowce

Metale przejściowe

Metale grup głównych

Metaloidy

Niemetale

Halogeny

Gazy szlachetne

Metale- ich obecność w

organizmie- niedobór i nadmiar

• Żelazo Fe ( 50 000 ppm w skorupie ziemskiej, 70 ppm w organizmie

ludzkim) hemoglobina, nadmiar: wolne rodniki, miażdżyca naczyń,
nowotwory...

• Chrom Cr (200 i 0,2 ppm) - niedobór – wzrost poziomu cholesterolu i

cukru we krwi, nadmiar: uszkodzenie tkanek i narządów miąższowych,
alergie,

• Nikiel Ni ( 80 i 0,1 ppm) anemia, zahamowanie wzrostu, nadmiar jest

toksyczny, kancerogenny i alergiczny ,

• Kobalt Co (23 i 0.05 ppm) związany z vit. B

12

pobudza procesy

krwiotwórcze, pomaga w regeneracji organizmu i w metabolizmie

aminokwasów, mało toksyczny, może wywołać alergie ,

• Molibden Mo (1 i 0.2 ppm) niedobór wpływa na kości i zęby, nadmiar:

alergie ( mało zbadany)

Metale- ich obecność w

organizmie- niedobór i nadmiar

• Mangan Mn ( 1000 i 0.2 ppm) reakcje biochemiczne i przemiany vit. C,

aktywator enzymów utleniających niedobór: niedorozwój kości i

narządów płciowych, nadmiar: podrażnienie dróg oddechowych i

zaplenia płuc, uszkadza układ nerwowy,

• Tytan ( 4 400 i 0.2 ppm) obojętny biologicznie - ew. alergie,

spowodowane tlenkami tytanu,

• Aluminium Al ( 18000 i 1 ppm) nie bierze udziału w procesach

biochemicznych jeśli występuje w postaci Al

2

O

3

tolerowanej przez

organizm, powoduje bóle mięśni i rozmiękczenie kości , uszkadza

komórki nerwowe i może spowodować nieodwracalne zmiany dróg

oddechowych i płuc.

Przebiegi uszkodzeń : cichy, ostry i dyskretny ( po usunięciu implantu)

Biomateriały metaliczne

Stal i stopy przeznaczone na implanty:

• stal austeniczna- kwasoodporna, nierdzewna

1.4408 i 1.4401 (X5 CrNiMo 17122) wg DIN 17 440/17 445.

,

• stopy na osnowie kobaltu,

• tytan i jego stopy,

•stopy z pamięcią kształtu,

•stal przeznaczona na narzędzia medyczne.

Biomateriały metaliczne

Metale i stopy przeznaczone na implanty powinny

wykazywać:

• dobrą odporność na korozję,

• odpowiednie własności mechaniczne,

• dobrą jakość metalurgiczną i jednorodność,

• zgodność tkankową – nietoksyczność i niewywoływanie

odczynów alergicznych,

• odporność na zużycie ścierne,

• brak tendencji do tworzenia zakrzepów,

• odpowiednie własności elektryczne,

• możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania.

Biomateriały metaliczne

Analizowane własności mechaniczne materiałów tkankowych to:

1. wytrzymałość,

2. twardość,

3. sprężystość,

4. plastyczność,

5. wiązkość,

6. kruchość.

Biomateriały metaliczne

Austeniczne stale
kwasoodporne stanowią grupę
tworzyw, które zostały
przystosowane do
implantowania w organizmie
ludzkim. Stale przeznaczone na
implanty mają ściśle ustalone
składy chemiczne, które
zapewniają im paramagnetyczną
strukturę. Ponadto w celu
uzyskania dobrej odporności na
korozję wżerową w środowisku
tkanek i płynów ustrojowych
wprowadzono dodatkowo
warunek odnoszący się do
stężenia chromu i molibdenu
3,3% mas Mo +% mas Cr >26
Ze stali tych wytwarza się igły
śródszpikowe, płytki kostne,
śruby i nakrętki, groty i druty
kostne, rzadziej endoprotezy.

Biomateriały metaliczne

Stal na narzędzia i przyrządy medyczne

Są ujęte w trzech grupach:
• martenzytyczna,
• ferrytyczna,
• austeniczna.

Biomateriały metaliczne

Do głównych pierwiastków stopowych w stalach austenicznych zaliczyć
można chrom, nikiel i molibden. W stalach tych występuje podwyższone
stężenie krzemu, manganu, a w niektórych gatunkach także azotu
i niobu. Chrom jest pierwiastkiem zmieniającym potencjał
elektrochemiczny stali z ujemnego ok. -0,6V na dodatni ok. 0,2V.
Zmiana ta nie zachodzi stopniowo ze wzrostem stężenia chromu lecz
skokowo przy ok. 13% Cr.

Biomateriały metaliczne

• Tytan zajmuje dziewiąte miejsce pod względem obfitości występowania w przyrodzie.
W stanie naturalnym najczęściej spotykany jest jako dwutlenek tytanu - minerał
miękki, ale wytrzymały.

• Stop tytanu został utworzony po to, aby uzyskać tworzywo biozgodne o zwiększonej
wytrzymałości.

• Wyizolowany czysty tytan, zalecany do implantów dentystycznych, ma następujący
skład: 99,75% stanowi tytan, 0,05% żelazo, 0,1% tlen, 0,03% azot, 0,05% węgiel,
a 0,012% wodór.

• Zarówno czysty tytan, jak i stop tytanu, wykazują bardzo wysoką odporność na
korozję.

• Ze stopów tytanu w głównej mierze produkowane są endoprotezy stawowe. Wielu
producentów wytwarza z nich także elementy do zespalania odłamów kostnych. Stopy
tytanu znalazły również zastosowanie w protetyce stomatologicznej, kardiochirurgii i
kardiologii zabiegowej.

Tytan i jego stopy

Biomateriały metaliczne

• W latach siedemdziesiątych rozpoczęto badania nad zastosowaniem na implanty
stopów z pamięcią kształtu. Ich szczególne własności są związane z odwrotną
przemianą martenzytyczną. Do tej grupy materiałów zalicza się stop NiTi o nazwie
Nitinol o stężeniu do 57% masowo niklu, a także stop Ti

50

Ni

48

,

5

Co

1,5

.

• Zjawisko pamięci kształtu w stopach związane może być z jednokierunkowym
efektem pamięci, pseudosprężystością lub też dwukierunkowym efektem pamięci.
• Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu może być związany z dwoma stanami
wyjściowymi.

Stopy z pamięcią kształtu

• W dwukierunkowym
efekcie pamięci kształtu
stop pamięta zarówno
kształt fazy macierzystej
jak i martenzytycznej.

Biomateriały metaliczne

Stopy na osnowie kobaltu

• stanowią kolejną po stopach austenicznych grupę tworzyw metalicznych
przystosowanych na wyroby dla chirurgii rekonstrukcyjnej,
• posiadają większą biotolerancję w środowisku tkanek oraz większą odporność na
korozję wżerową
i szczelinową niż
stal Cr-Ni-Mo,
• są nietoksyczne,
• dzielą się na
odlewnicze
i przerabiane,
• stosuje się je
głownie na
endoprotezy
stawowe.

Biomateriały metaliczne

Stabilizator kostny wykonany z metalu

i elementów kompozytowych.

Wkręt wykonany z tytanu

Endoprotezy

Protezą implantowaną, inaczej

protezą wewnętrzną lub endoprotezą,

nazywamy przyrząd, który fizycznie

zastępuje organ lub tkankę. W

odróżnieniu, bioproteza stanowi

implantowaną protezę wykonaną w

całości lub częściowo z tkanek

dawcy.

Całkowita endoproteza stawu biodrowego

Implanty

Nazwy implantów nawiązują do dziedziny medycznego zastosowania

lub konkretnego umiejscowienia. Do tych określeń zaliczyć można:

• implant ortopedyczny,
• implant ustny,

Implanty

•implant czaszkowo – twarzowy,

• implant dentystyczny

Implanty

Ogólnie implanty można podzielić na krótkotrwałe, czyli takie, których okres

przebywania w organizmie nie powinien przekroczyć dwóch lat, i długotrwałe,

przewidziane do kilkuletniego, a nawet kilkunastoletniego użytkowania.

Płytki kostne samodociskowe

Implanty długotrwałe

Różne rodzaje panewek zewnętrznych endoprotez stawu

biodrowego

Implanty

Radiogram całkowitej endoprotezy stawu biodrowego

Implanty

Endoproteza całkowita stawu

kolanowego

Radiogram stawu kolanowego

Implanty

Endoproteza całkowita stawu

kolanowego

Radiogram stawu kolanowego

Implanty

Implanty

Implanty

Sztuczne naczynia krwionośne

Implanty

Sztuczne serce

Sztuczne serce

Biotolerancja

• Implanty

to substancje różne od leków, które są

kombinacją substancji naturalnych lub syntetycznych.
Mogą one być użyte jako część lub całość systemu
zastępującego tkanki

lub organ, albo pełniącego jego

funkcję,

•

cechują się wymaganą biotolerancją czyli zgodnością

biologiczną i harmonią interakcji z żywą materią,
(biotolerancja powoduje, że po wprowadzeniu do
organizmu nie wywołują one ostrych lub chronicznych
reakcji albo stanu zapalnego otaczających tkanek).