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