Wykład 3
Grupy biomateriałów:
•
metalowe,
• ceramiczne,
• polimerowe,
• węglowe,
• kompozytowe
.
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
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
2
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3
11
12
13
14
15
16
17
18
4
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
5
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
6
55
56
57
*
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
7
87
88
89
**
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
8
119
120
121
122
*
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
*
*
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Legenda do układu okresowego
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).