prof. dr hab. Janusz M. Rosiak
prof. dr hab. Janusz M. Rosiak
Inżynieria
Biomateriałowa
Biomateriały
prof. dr hab. Janusz M. Rosiak
prof. dr hab. Janusz M. Rosiak
Inżynieria
Biomateriałowa
Biomateriały
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
1. Wprowadzenie do nauki o biomateriałach (rys historyczny, zakres nauki,
przykłady zastosowań biomateriałów, biokompatybilność i biofunkcjonalność,
zagadnienia etyczne
2. Właściwości materiałów do celów biomedycznych (rodzaje wiązań i oddziaływań,
struktura, rodzaje materiałów, właściwości mechaniczne i metody badań)
3. Właściwości powierzchni biomateriałów (charakterystyka powierzchni
biomateriałów i wymagania, stosowane techniki pomiarowe, zależność struktura-
właściwości)
4. Modyfikacje powierzchni biomateriałów (procesy adsorpcji-desorpcji, metody
modyfikacji, rodzaje modyfikacji)
5. Metale do celów biomedycznych (surowce, składy, formowanie, mikrostruktura,
korozja w układach biologicznych, przykłady zastosowań)
6. Ceramika i szkła organiczne (rodzaje połączeń z tkankami, właściwości i obróbka
bioceramiki)
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
7. Polimery syntetyczne (taktyczność, krystaliczność, właściwości mechaniczne i
termiczne, metody badań ciężarów cząsteczkowych)
8. Biomateriały biodegradujące (mechanizmy degradacji, rodzaje materiałów
biodegradujących)
9. Biomateriały naturalne (polisacharydy,
białka i peptydy, związki biologicznie czynne)
10. Metody sterylizacji biomateriałów
DDS, Biokompatybilność, Nanomedycyna
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Ewolucja metod leczenia ran
Pierwsze doniesienia o leczeniu
klinicznym sięgają 1650 p.n.e.,
zapis znaleziony na egipskim papirusie
W X wieku p.n.e. zaczęto stosować
szczęki mrówek do łączenia brzegów
ran otwartych.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Ciernie stosowane przez plemiona
afrykańskie do zamykania ran
Stosowane przez wieki
przyżeganie rozżarzonym
metalem powstrzymywało
krwawienie. Obecnie
stosowane metody chirurgiczne
również wykorzystują ten
mechanizm zamykania ran.
Metalowe klamry stosowane przez Greków do
łączenia uszkodzonych tkanek wprowadzono
400 lat po Hipokratesie.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Igły
Igły
W opublikowanym w
1858 roku przez
Joshepha Marie
Goffers’a francuskim
podręczniku pokazano
użycie igieł jako
zaczepów dla nici
podczas zewnętrznego
szycia ran
W celu uszczelnienia naczyń krwionośnych
w Indiach stosowano włókna lniane i z konopi
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Wysterylizowany Catgut to nić chirurgiczna
wykonana zwykle z jelita baraniego, po kilku
tygodniach całkowicie wchłaniana.
Igły profilowane z zagłębieniami
bocznymi na nić stosowane po II
wojnie światowej zmniejszały
uszkodzenia tkanki podczas szycia
Stapler (narzędzie do automatycznego
szycia żołądka lub jelit) wynaleziono w
1908 roku (Humer Hultl).
Evolution of Medicine
•
1861 Pasteur published his work on germ theory - ended theory of spontaneous generation
and proved bacteria were harmful organisms
•
1895 X-rays discovered by Wilhelm Roentgen
•
1903 Dutch physiologist Willem Einthoven develops electrocardiograph
•
1927 Iron lung developed by Phillip Drinker
•
1932 Defibrillator developed by William Bennett Kauwenhoven
•
1945 Artificial kidney developed by Willem Kolff
•
1950s
Charles Huntnagel pioneers prosthetic heart valves
•
1953 First successful application of a heart-lung machine by John H. Gibbon
•
1954 First human kidney transplant by Edward D. Thomas
•
1956 Plastic contact lenses developed by Norman Bier
•
1957 First externally worn, battery-powered pacemaker developed by Earl Bakken, Robert
Jarvik,
and C. Walton Lillehie
•
1957 Blood-heat exchanger developed by Duke University, GM, and SUNY Buffalo
•
1960 First totally implanted pacemaker
•
1970s
Realtime, gray-scale ultrasound (Kossoff)
•
1973 Computerized tomography (CAT scan)
•
1980 Magnetic resonance imaging by Lauterbur (Nobel 2003)
•
1982 William C. DeVries surgically implants a permanent artificial heart designed by Robert
Jarvik
•
1985 Soft bifocal contact lens developed by Sofsite Contact Lens Laboratory
•
1985 Michele Mirowski develops ventricular defibrillator
•
1986 In France, Professor Benabid uses electrical stimulation to treat Parkinson's patients.
Life expectancy:
In 1900, ~50 years In 2000, ~80 years
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Nauka o biomateriałach - podstawowe pojęcia
W świetle wzrastającej ilości badań i prób zastosowań
„sztucznych” materiałów w medycynie, trudno jest ustalić
od kiedy dokładnie zaczęto stosować termin biomateriały.
Prawdopodobnie nazwa ta ustaliła się w późnych 70-tych i
wczesnych
latach
90-tych
podczas
sympozjów
organizowanych przez Clemson University, South Caroline.
Proponowano wiele definicji tego terminu. Jedna z nich,
zaproponowana przez Williamsa, stosowana obecnie
najczęściej brzmi:
Biomateriały
są to (
niezdolne do życia - nonviable
)
materiały używane w urządzeniach (
medycznych
) z
przeznaczeniem
do
współdziałania
z
systemami
biologicznymi.
Uzupełniającą definicją niezbędną do zrozumienia celu nauki
o biomateriałach jest biokompatybilność. Według Williamsa
Biokompatybilność
jest zdolnością materiału do
powodowania właściwej (oczekiwanej) reakcji organizmu
biorcy w specyficznych zastosowaniach.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Zgodnie z propozycją lokalną:
Określenie biomateriał obejmuje wszystkie rodzaje materiałów i
wyrobów
przeznaczonych do funkcjonowania w kontakcie z żywą tkanką i/lub
płynami
ustrojowymi. Mogą to być materiały i urządzenia stosowane
zewnętrznie bądź
wszczepione do organizmu, jak również przeznaczone do chwilowego
nawet
kontaktu ze składnikami żywego ustroju.
Biomateriał to materiał zastosowany z przeznaczeniem do
oddziaływania z systemami biologicznymi (BS-2004)
Zgodnie z taką definicją za biomateriał należy uważać zarówno
strzykawki
jednorazowego użytku, plastry czy śruby do zespoleń kości, jak i
sztuczne
organy czy też systemy służące do kontrolowanego uwalniania
leków.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Wymagania
stawiane
biomateriałom
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Materiały do użycia w organizmie
niewytrzymały
deformowalny
może
degradować
może
korodować
duża gęstość
kruchy
wytwarzanie
nieelastyczny
wytwarzanie
Materiał
Zalety
Wady
Przykłady
Polimery
nylon
silikony
teflon
dacron
Metale
tytan
stal nierdzewna
stopy Co-Cr
złoto
Ceramika
Al
2
O
3
węgiel
HA
Kompozyty
węglowe
elastyczny
łatwy w wytwarzaniu
mocny, twardy
ciągliwy
wysoce biokompatybilna,
inertna
wytrzymały na ściskanie
mocny
szwy, naczynia
krwionośne,
gniazdo stawu,
nos, inne tkanki
miękkie
wymiana stawu,
płytki kostne i śruby,
implanty dentystyczne
implanty dentystyczne,
gniazdo stawu biodrowego
implanty stawowe
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Źródła materiałów
biologicznych używanych
do wytwarzania urządzeń
medycznych
Zastosowania
Zastosowania
•
Szkielet
Zamienniki stawów
Płytki kości dla unieruchamiania
złamań
Cementy kostne
Wypełnienia defektów kości
Sztuczne ścięgna i wiązadła
Implanty dentystyczne
•
Układ krążenia
Protezy naczyń krwionośnych
Zastawka serca
Cewnik
•
Organy
Sztuczne serce
Matryce do odbudowy skóry
Sztuczna nerka (hemodializer)
Maszyna płuco-serca
•
Zmysły
Wymiennik ślimaka
Soczewki śródoczna
Soczewki kontaktowe
Bandaż rogówkowy
Typy materiałów
Typy materiałów
Tytan, stopy Ti-Al.-Ti, stal nierdz.,
polietylen
Stal nierdz., stopy chromowo kobaltowe
Poli(metakrylan metylu)
Hydroksyapatyt
Teflon, Dacron
Tytan, aluminium, fosforan wapnia
Dacron, Teflon, poliuretan
Przetworzone komórki, stal nierdz.,
węgiel
Kauczuk silikonowy, Teflon, poliuretan
Poliuretan
Kompozyty kolagenowo-silikonowe
Celuloza, poli(akylonitryl)
Kauczuk silikonowy
Elektrody platynowe
PMMA, kauczuk silikonowy, hydrożele
Akrylano-silikon,hydrożele
Kolagen, hydrożele
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Od wszczepienia implantu do …
implant
zapalenie
normalne
gojenie ran
przewlekłe
podrażnienie
wyleczenie
usunięcie lub
rozpad implantu
zabieg
chirurgiczny
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Droga od pomysłu do wytworzenia układu medycznego
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Biologiczny
zamiennik
zastawki
Mechaniczn
y zamiennik
zastawki
Zastawka
mechanicz
na
Serce
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Tylna otoczka
soczewki
Tęczówka
Rogówka
Siatkówk
a
Nerw
optyczny
Implant
soczewki
śródocznej
Oko
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Zęby
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Staw biodrowy
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Rynek biomateriałów i środków leczniczych
(USA)
Wydatki w USA na opiekę
medyczną (2000)
1,4*10
12
$
Wydatki na rozwój nauk
zdrowotnych (2001)
82*10
9
$
Liczba zatrudnionych w
przemyśle urządzeń
medycznych (2003)
300 000
Liczba zarejestrowanych
medycznych zakładów
produkcyjnych (2003)
Rynek biomateriałów w USA
(2000)
13 000
9*10
9
$
Całkowity koszt
indywidualnych urządzeń
medycznych:
• Kardiologiczne (2002)
• Ortopedyczne (1998)
• Dla diabetyków (1998)
6*10
9
$
4,7*10
9
$
4*10
9
$
c.d.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Sprzedaż indywidualnych
urządzeń medycznych:
•
Pojemniki na krew
•
Soczewki kontaktowe
(2000)
•
Protezy naczyniowe
•
IOL (2003)
•
Cewniki
•
Stenty
• Rozruszniki serca
• Zastawki
•
Protezy piersi
• Protezy stawu biodrowego
• Protezy kolan (2002)
•
Implanty dentystyczne (2000)
• Dializery (liczba pacjentów,
2001)
USA
[sztuk/rok]
--------------------------------
--
40*10
6
30*10
6
300*10
3
2,5*10
6
200*10
6
1,5*10
6
400*10
3
100*10
3
250*10
3
250*10
3
250*10
3
910*10
3
320*10
3
c.d.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Pomyślne działanie biomateriału w organizmie zależy od:
• właściwości materiału, z którego został wykonany
• odpowiedniego zaprojektowania
• biokompatybilności
• zdrowia i kondycji pacjenta
Współczynnik niezawodności, r
r=1 – f
gdzie f oznacza prawdopodobieństwo niepowodzenia
Jeśli uwzględnimy wszystkie czynniki powodujące defekt biomateriału:
n
2
1
t
r
r
r
r
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Wpływ różnych czynników powodujących defekt w funkcji czasu
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Odpowiedź:
r=(1-0.05)(1-0.03)(1-0.02)=0.89
co oznacza, że około 11% operacji zakończy się niepowodzeniem,
przy uwzględnieniu 10% (niepowodzenie z powodu bólu)
r=0.89*(1-0.10)=0.80
Zadanie 1:
Załóżmy, że dla sztucznego stawu kolanowego prawdopodobieństwa
defektu w pierwszym roku po operacji wynoszą: 5% dla zakażenia, 3% -
ścieranie, 2% - poluzowanie, 1% z powodu komplikacji pooperacyjnych i
4% - pęknięcie. Obliczyć współczynnik niezawodności w pierwszym roku po
operacji. Założyć dodatkowo, że około 10% pacjentów skarży się na silny
ból. Przeliczyć ponownie r.
Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna
Zagadnienia etyczne związane ze stosowaniem biomateriałów
Czy użycie modeli zwierzęcych jest usprawiedliwione? Czy waga
zaplanowanego eksperymentu jest na tyle duża, aby
usprawiedliwiać cierpienie istot żywych?
Jak zminimalizować ryzyko niepowodzenia (rozsądny stosunek
ryzyko/korzyści)?
Jak połączyć cele finansowe firm z potrzebami pacjentów?
W przypadku użycia urządzeń podtrzymujących życie, jaka jest
różnica między zapewnieniem godziwych warunków życia a jego
sztucznym podtrzymywaniem?
Czy możliwe jest zdefiniowanie zakresów testów klinicznych dla
biomateriałów i odpowiednie zarządzanie nimi?
Literatura
Podstawowa:
„Problemy biocybernetyki i inżynierii biomedycznej” pod red. M.
Nałęcza tomy I-IV, WKiŁ, Warszawa, 1991.
“Biomaterials. An Introduction” (Second Edition), edited by J.B.
Park, R.S. Lakes, Plenum Press, 1992
“Biomaterials Science. An Introduction to Materials In Medicine”,
edited by B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen, J.E. Lemons,
Elsevier Academic Press, 2004
Uzupełniająca:
“Biomaterials. Principles and Applications” edited by J.B.
Park, J.D. Bronzino, CRC Press, 2003
“Introduction to Biomedical Engineering” edited by J.
Enderle, S. Blanchard, J.D. Bronzio, Academic Press, 2000
“Principles of Tissue Engineering” (Second Edition), edited
by R.P. Lanza, R. Langer, J. Vacanti, Academic Press, 2000
“Polymeric Biomaterials” (Second Edition) edited by S.
Dumitriu, Marcel Dekker Inc., 2002