Węgiel jako biomateriał

Włókna węglowe w medycynie

•

Otrzymywanie

•

Budowa włókien węglowych

•

Zastosowanie w medycynie

•

Biozgodność włókien węglowych i ich
produktów degradacji

•

Modyfikacja fizyczna i chemiczna
włókien węglowych

Węgiel

C

Właściwości węgla- jedyny

pierwiastek tworzący hybrydy; sp,
sp

2

i sp

3

, zróżnicowanie na poziomie

wiązań chemicznych.

Atomy węgla mogą być powiązane w

łańcuchy, pierścienie, tworzą
wiązania; pojedyncze, podwójne,
potrójne.

Odmiany alotropowe węgla

Warstwa grafenowa

• Hybrydyzacja sp

2

• Kąty pomiędzy atomami węgla 120

0

• Wiązanie 
• Wiązanie  - elektron zdelokalizowany
• Wiązania pomiędzy warstwami

grafenowymi – wiązania - Van der Waalsa.

Węgiel syntetyczny

• Węgiel i grafit syntetyczny otrzymuje się w

wyniku pirolizy węglonośnych prekursorów
organicznych.

• Rozkład termiczny prekursorów prowadzi

do tworzenia struktur grafitopodobnych
(warstwy grafenowe).

• Włókna węglowe – syntetyczny węgiel

otrzymywany z polimerów (włókna), fazy
gazowej, paków mezofazowych.

Otrzymywanie włókien

węglowych

• Prekursory wlókien węglowych –

włókna organiczne (poliakrylonitryl

PAN)

• Termiczna obróbka organicznego

włókna  włókna węglowe

• Dwu(trój)etapowa obróbka

termiczna: stabilizacja

karbonizacja
grafityzacja

Wraz ze wzrostem

temperatury karbonizacji

• Obecność heteroatomów H, O, N - 

• L

c,

L

a

20 - 500Å, d

002

Å

(stopień

uporządkowania) -



• Wytrzymałość, moduł sprężystości -
• Przewodnictwo elektryczne -

• Biozgodność - T

Parametry włókien

węglowych

Włókna węglowe w medycynie

Rys historyczny

- 1978 Jenkins, implant ścięgna owcy
- 1979 Minns, ubytki tkanki chrzęstnej
- Od 1982 włókna węglowe zbrojące

kompozyty dla zastosowań w
medycynie

…koniec lat siedemdziesiątych –

początek osiemdziesiątych,

ubiegłego stulecia…

• Obiecujące wyniki z badań na zwierzętach
• Przydatność do leczenia więzadeł i ścięgien
• Neowięzadło
• Kierunkowy wzrost włókien kolagenowych

na podłożu węglowym

• Liczne zastosowania do stabilizacji stawu

kolanowego

Jenkins DHR et al. J Bone Joint Surg 1977.59B, 53-57

Jenkins DH and McKibbin J Bone Joint Surg1980, 62B, 497-499

…koniec lat osiemdziesiątych

do dziś?

• Biozgodny materiał – niebiozgodne produkty

degradacji –chroniczne stany zapalne wokół

fragmentów włókien

• Materiał kruchy nie odporny na skręcanie i

ścinanie – zrywanie więzadeł leczonych

węglem, fragmentacja implantów, liczne

cząstki węgla wokół miejsca implantacji

• Słaba adhezja do tkanek
• Negatywny wpływ na torebkę maziową stawu

kolanowego- synovitis

Rushton N et al. J Bone Joint Surg 1983. 65B, 308-9,

Osborn AH et al. J Royal Naval Med Serv 198470, 66-69

McKibbin. New materials in orthopaedics: carbon fibre,1985 Chur Liv, 179-203

Włókna węglowe w

medycynie

Opinie negatywne
• Brak biozgodności z

tkankami

• Toksyczne produkty

degradacji

• Słaba adhezja do

tkanek

Opinie pozytywne
• Biozgodność z

tkankami

• Stymulacja procesu

naprawczego

• Kierunkowy wzrost

włókien

kolagenowych na

powierzchni włókna

węglowego

• Biozgodne produkty

degradacji

Różne opinie o włóknach, związane są ze stosowaniem w medycynie włókien

różniących się strukturą a co za tym idzie właściwościami istotnymi dla

zastosowań medycznych.

Biozgodność włókien węglowych i ich

produktów degradacji zależy od ich rodzaju

• Włókna węglowe grafitopodobne

(karbonizowane powyżej 1800

0

C) nie

są biozgodne, podobnie jak ich
produkty degradacji

• Włókna nisko-karbonizowane są

biozgodne i mają biozgodne produkty
degradacji

Biozgodność włókien

węglowych

Co wpływa na odpowiedź komórkową?

1. Stopień uporządkowania struktury
2. Chemiczna budowa powierzchni

Wysoko-krystaliczne włókna (otrzymywane w

wysokich temperaturach) są odporne

chemiczne, nie utleniają się w środowisku

biologicznym w odróżnieniu od włókien

amorficznych (nisko-krystalicznych), które

utleniają się w środowisku biologicznym

Degradacja włókien węglowych

w środowisku biologicznym

• Rodzaj degradacji zależny od struktury

włókien

• Włókna wysoko-krystaliczne – odporne

chemiczne, nie utleniające się w środowisku
biologicznym

• Włókna wysoko-krystaliczne – fragmentacja

w środowisku biologicznym

• Włókna nisko-krystaliczne – utlenianie

poprzez kolejne stadia (fazy o wzrastającej
ilości tlenu)

Włókna węglowe

właściwości

Włókna węglowe

Prekursor -PAN

średnica

(mm)

Moduł

Sprężystśc

i

(GPa)

Wytrzymało

ść

(rozc.)

(Gpa)

Gęstoś

ć

(g/cm

3

)

Współcz.

Roz.

Term.

(10

-6

K

-1

)

Wysoko-modułowe

w.w

6 - 8

290 - 600

2.5 – 3.9

1.70 –

1.94

-1.0 –1.2

Wysoko-wytrzymałe

w.w.

5 - 8

230 - 300

3.5 – 7.1

1.76 –

1.82

-0.4 –1.0

Medyczne w.w.

9-12

50-200

0.5

1.7

-1.0

Biologiczne włókna węglowe – klasyczne włókna

węglowe porównanie wybranych właściwości

Włókno

węglowe

Biologiczne

włókno

węglowe

Odkształceni

e przy
zniszczeniu

1 –1.5%

3.5 –4.0%

Rozwinięcie

powierzchni

ok.1m

2

/g

ok.5m

2

/g

Hydrofilowoś

ć/
hydrofobowo

ść

Hydrofobowa
powierzchnia

Hydrofilowa
powierzchnia

Ilość fazy

amorficznej

Przewaga

fazy
krystalicznej

Przewaga

fazy
amorficznej

Węgiel jako

biomateriał

Cechy, które decyduję o atrakcyjności

włókien węglowych dla zastosowań

medycznych:

• Mała gęstość odniesiona do dużej wytrzymałości
• Pojemność cieplna zbliżona do tkanek
• Możliwość dopasowania parametrów mechanicznych do

wymagań tkanki - kompozyty włókniste

• Składnik nadający kierunkowe właściwości

biomateriałom kompozytowym- np. wzrost tkanki w

obrębie wiązki włókien (protezy- więzadła, ścięgna)

Włókna węglowe w medycynie

Zastosowania ;

aktualne

i potencjalne

• Sztuczne więzadła i ścięgna

• Opatrunki

• Włókniny i tkaniny do leczenia

ubytków tkanek

• Włókna o średnicach nanometrycznych

oraz nanorurki -nośniki leków, biosensory

• Kompozyty z włóknem węglowym –

wytwarzanie protez, ortez (w

niewielkim zakresie implanty i

endoprotezy)

Włókna węglowe w

medycynie

• Stosowane w niewielkim zakresie

(głównie jako składnik kompozytów)

• Materiał perspektywiczny ze względu

na;

duże możliwości modyfikacji, zwłaszcza

w obszarze powierzchni

• Możliwości nowych zastosowań ze

względu na (nierozpoznane do końca)

unikatowe właściwości biologiczne

włókien o niskich średnicach

Zgadnienia

• W jakich zastosowaniach medycznych

wykorzystuje się włókna węglowe?

• Czy wszystkie rodzaje włókien węglowych

są biozgodne z tkankami?

• Na jakie właściwości włókien węglowych

wpływa temperatura ich karbonizacji?

• Jakie właściwości włókien węglowych

sprawiają że są one w coraz większym

zakresie wykorzystywane do wytwarzania

ortez i protez zewnętrznych?