Materiały ceramiczne i

polimerowe

Wykład 4

Materiały ceramiczne

• Gęstość 1.8-9.7 g/cm

3

• Odporność na wysokie temperatury (110-160ºC) i

odporność chemiczna

• Przewodność cieplna 1.1-200 W/m
• Wytrzymałość i porowatość (nasiąkliwość materiału)
• Opór elektryczny skrośny 1011-1016 .cm przy 20 ºC
• Opór elektryczny powierzchniowy 1010 
• Trudno obrabialne
• Specjalne: mika, azbest ( 400 ºC)

Charakterystyka

materiałów ceramicznych

• twarde i kruche,
• porowatość (wrastanie tkanek),
• wytrzymałość na ściskanie i

odporność na ścieranie,

• odporność na korozję,
• wysoka biotolerancja.
Wielkość ziarna czy krystalitów-

resorbcja w organizmie

Materiały bioceramiczne

• Z porównania różnych biomateriałów stosowanych na implanty
wynika, że materiały
ceramiczne są to tworzywa kruche o małej wytrzymałości na
zginanie.
Są nieodporne na obciążenia dynamiczne i nie wykazują
odkształcalności.
Duża twardość oraz odporność na ścieranie oraz korozje w
środowisku tkanek i
płynów ustrojowych minimalizują, lecz nie eliminują zużywania się
materiałów
bioceramicznych po długotrwałym użytkowaniu.

• Produkty zużycia tej grupy materiałów nie wywołują znacznych
odczynów
toksycznych i alergicznych, co decyduje o dobrej biotolerancji
bioceramiki w
organizmie.

• Największą zaletą bioceramiki jest to, że przy odpowiedniej
porowatości powierzchni
wrasta w nie tkanka. Do porów o regulowanej wielkości wrastają
unaczynione tkanki
miękkie oraz kapilary z osteocytami. Na bazie więc ceramicznego
rusztowania rozwija
się nowa, zregenerowana kość. Bioceramika ponadto ma
porównywalną z kością
gęstość i współczynnik tarcia.

• Bezporowata ceramika z kolei znalazła zastosowanie na elementy
endoprotez
stawowych, w szczególności na główki osadzone na trzpieniu.

Materiały bioceramiczne

Wyróżnia się trzy kategorie materiałów bioceramicznych

1. Materiały ceramiczne resorbowane w organizmie.

2. Materiały z kontrolowaną
reaktywnością powierzchniową.

3. Biomateriały obojętne.

Po lewej stronie implant

z powierzchnią

hydroksyapatytu

Biomateriały polimerowe

•

Polimery to substancje złożone z makrocząsteczek

charakteryzujących się regularnym
lub nieregularnym cyklicznym rozmieszczeniu jednostek
podstawowych (merów)
jednego lub kilku rodzajów.

• W odniesieniu do zastosowań medycznych możne je podzielić na
naturalne i sztuczne.

• Do naturalnych można zaliczyć białka (kolagen, fibrynogen,
jedwab, wszczepy,
tkankowe) i wielocukry (celuloza, chityna).

• Rodzaje i zastosowanie polimerów syntetycznych:
silikony – chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna,
politetrafluoroetylen – protezy naczyniowe, nici chirurgiczne,
poliuretany – elementy sztucznego serca, protezy naczyniowe o
małym przekroju,
polietylen – chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna, cewniki, główki
i panewki
endoprotez stawowych
polipropylen – nici chirurgiczne, siatki,
politereftalan etylu – protezy naczyniowe, siatki, nici chirurgiczne,
polimetakrylan metylu – ortopedia, soczewki wewnątrzgałkowe,
poliamidy – nici i siatki chirurgiczne.

Polimery naturalne

• Biopolimery: celuloza (stopień

polimeryzacji 800-1400), woda w
celulozie naturalnej

• papier

Biopolimery sztuczne

• Polimeryzacja - proces łączenia wielu cząsteczek podstawowych

– monomerów bez wydzielania produktów ubocznych,

• Polikondensacja – z wydzieleniem produktów ubocznych (woda,

HCl, amoniak)

• Poliaddycja – łączenie się cząstek monomeru za pośrednictwem

grup reaktywnych w wyniku przemieszczania się atomu wodoru
(z reguły bez produktów ubocznych)

• Parametry charakteryzujące polimer: stopień polimeryzacji

(liczba monomerów) i masa cząsteczkowa

• Polimery rozgałęzione
• Plastomery dużą sprężystość) i elastomery( rozciągliwe)
• Termoplasty i duroplasty (termo- i chemo- utwardzalne)

(polietylen, polichlorek winylu, teflon, poliamid, poliwęglan,
pochodne celulozy)

Polimery sztuczne

przykłady

• polietylen, polipropylen, poliizobutylen,

polistyren,

• polichlorek winylu,
• teflon,
• poliamid,
• poliwęglan (zeszklony) ,
• pochodne celulozy
• duroplasty : fenolowo-formaldehydowe –

żywice, epoksydy, silikony,

Biomateriały polimerowe

Śruby dla ortopedii z polimerów biostabilnych, resorbowalnych i z

materiałów kompozytowych.

Materiały węglowe

• Węgiel jako grafit, diament i

fulleren,

• Mogą to być: warstwy węglowe,

materiały kompozytowe
węgiel(włókna) -węgiel

Odmiany allotropowe

węgla

grafit

diament

C60

Fullereny

Zastosowania fullerenów

Nanorurki węglowe

Biomateriały węglowe cechuje:

•

dobra biozgodność w środowisku tkanek.

•

obojętność elektryczna warunkująca dobrą hemozgodność.

•

dobre własności fizykochemiczne.

•

odporność na działanie promieniowania jonizującego i
niejonizującego.

Biomateriały węglowe jako materiały funkcjonalne można podzielić

na:

1. Warstwy węglowe.

2. Materiały kompozytowe.

Implanty węglowe stosowane są głównie na protezy ścięgien oraz

wiązadeł, elementy zespalające kości.

Biomateriały węglowe

Plecionki z włókien węglowych, przeznaczone na protezy więzadeł i

ścięgien.

Bioszkła

SiO

2

, CaO, P

2

O

5

, Ca (PO

3

)

2

, CaF

2

,

MgO, MgF

2

, Al

2

O

3

i inne szkła

Bioszkła

Dużą stabilność chemiczna (wilgoć rozpuszcza zanieczyszczajace

tlenki metali) – szkła sa odporne na kwasy i zasady

Wytrzymałość dieelekryczna szkła 50 kV/mm
(nie zależy od składu chemicznego- niejednorodności lub

„wtrąciny” gazowe)

Wytrzymałość temperaturowa 50-90° C ( żaroodporne 200-

250) , kwarcowe do 1000 ° C

Opór elektryczny skrośny 108-1020 .cm (kwarc

1017-1020 .cm ), (temperatura charakterystyczna

jeśli 108 .cm )

Opór elektryczny powierzchniowy 1010-1015 

Kompozyty z bioceramiką

• Hydroksyapatyty i

pokrewne
fosforany

• Kompozyty

obojętne

• Ceramika

porowata
obojętna
kompozyty
bioaktywne

• Kompozyty

resorbujace

Materiały do zespalania

tkanek

• Nici chirurgiczne ( roślinne,

zwierzęce, z tkanek ludzkich,
metaliczne, polimerowe,

• tracą własności po 1-12

tygodniach, niektóre ulegają
biodegradacji po 1-3 latach

• cementy kostne

Protetyka stomatologiczna

•

Metale i stopy (szlachetne: złoto, pallad, srebro

- stopy nieszlachetne: nikiel(dodatki Cr,Mo, Nb),

kobalt (dodatki Cr,Mo,), tytan (czysty, dodatki

Al,V, Nb,Ta), żelazo (dodatki Cr,Ni, Mo),

•

Tworzywa sztuczne-polimetakrylan(PMMA),

mieszaniny polimerów :chlorek winylu,

winyloacetat, kompozyty BiS-CiMA z

pirogennym SiO

2

)

•

Ceramika mineralna (skaleń potasowy bez

kaolinu, ceramika szklanno-krystaliczna,

szklista, rdzeniowa glinowa, leucytynowa)