Nanostruktury organiczne

DR HAB. JADWIGA

SOŁODUCHO

Zakład Chemii Medycznej i Mikrobiologii

Politechnika Wrocławska

WROCŁAW 2007/2008

BIOMATERIAŁY

Wrocław 2009

BIOMATERIAŁY

• Biomateriał

(zwany

też

materiałem

biomedycznym) - materiał, z którego można

produkować urządzenia i elementy, mające

bezpośredni kontakt z tkankami organizmu.

• Z biomateriałów produkuje się implanty

(np. protezy ortopedyczne, naczyniowe), a

także pokrywa się nimi powierzchnie urządzeń

wszczepianych do wnętrza organizmu (np.

rozrusznik serca, sztuczne zastawki serca,

elektrody

endokawitarne,

stenty),

lub

przeznaczonych do długotrwałego kontaktu z

organizmem (np. rurki intubacyjne, cewniki,

dreny, nici chirurgiczne)

Rozrusznik serca

Proteza naczyniowa

Rurki intubacyjne

BIOMATERIAŁY

BIOMATERIAŁY

Podstawową cechą biomateriałów jest ich

biozgodność, czyli brak toksyczności oraz
minimalne

oddziaływanie

na

system

immunologiczny. Biomateriały będące w
styczności z krwią nie mogą wywoływać
hemolizy

Protezy naczyniowe

BIOMATERIAŁY

Do najczęściej stosowanych biomateriałów zalicza

się:

• polimery naturalne (kolagen, celuloza, skrobia,

chityna)

• polimery syntetyczne - takie jak: (polietylen,

polisiloksany i inne)

• polimery półsyntetyczne - modyfikowane

biopolimery, takie jak: oczyszczona chityna

• materiały ceramiczne

• niektóre metale i ich stopy

• biomateriały węglowe

Biopolimer – białko TPI

Polietylen

Polisiloksan

Ważniejsze biomateriały polimerowe i ich zastosowanie

Polimer

Przykłady zastosowań

Polimery naturalne

Kolagen

jako skóra zastępcza (czasowo na rany oparzeniowe), do korekty tkanek

miękkich, w plastyce rogówki, moczowodów, gł. składnik katgutu

Fibryna

jako klej do narządów miąższowych, do zespoleń nerwów, przełyku, żołądka,

do sklejania wszczepów skóry z podłożem

Celuloza

modyfikowana
chemicznie

nici do zespalania tkanek

Chityna (i pochodne)

do uszczelniania syntetycznych protez naczyniowych

Polimery syntetyczne

Silikony

protezy, np. sutka, małych stawów

Politetrafluoroetyle

n

protezy naczyniowe i nici chirurgiczne; w postaci kompozytu z włóknami

węglowymi lub tlenkiem glinu do rekonstrukcji kości czaszki i szkieletu
twarzy

Poliuretany

części sztucznego serca, protezy naczyń krwionośnych o małym przekroju

Polietylen

do protezowania ubytków chrząstki i kości w rekonstrukcji twarzy, protezy

stawów, cewniki, siatki stosowane w dużych przepuklinach

Poliamidy i

polipropylen

nici chirurgiczne, siatki

Poli(tereftalan

etylenu)

protezy naczyniowe, protezy ścięgien i powięzi, nici chirurgiczne

Poli(metakrylan

metylu)

części protez dużych stawów, uzupełnienia ubytków kości czaszki, soczewki

wewnątrzgałkowe (oka)

Biomateriały polimerowe

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.

politereftalan etylu

Materiały bioceramiczne

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.

• 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

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 metaliczne

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:

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 węglowe

charakteryzuje:

•

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

Biomateriały węglowe

Plecionki z włókien węglowych, przeznaczone na protezy więzadeł i

ścięgien

Płytki węglowe

• Płytki węglowe doskonale nadają się

do zespalania kości.

• Węgiel amorficzny (szklisty) jest

coraz

szerzej

stosowany

do

pokrywania powierzchni, m.in. protez
naczyniowych,

zastawek

serca,

membran wytwarzanych z polimerów
syntet.

oraz

do

stomatologicznych

wszczepów śródkostnych

Materiały kompozytowe

• Materiały

kompozytowe

Kompozyty

-

są

to

materiały

makroskopowo-monolityczne,

dla

otrzymania

których

połączono

składniki o różnych właściwościach.

• W

wyniku

czego

otrzymano

właściwości

albo

wyższe,

albo

dodatkowe w stosunku do właściwości

osobnych

składników.

Materiały kompozytowe

• Kompozyty utworzone są z co

najmniej

dwóch

składników,

znacząco

różniących

się

właściwościami.

• Celem takiego połączenia jest

uzyskanie materiału o nowych
właściwościach,

lepszych

Materiały kompozytowe

• W każdym kompozycie można wyróżnić dwa podstawowe

składniki:

wzmocnienie, jest to materiał zbrojenia, który może być

wprowadzany w postaci:

drobnych cząstek,

krótkich włókien lub płatków,

włókien ciągłych,

osnowę, jest to faza w której umieszczone są cząstki lub włókna

wzmocnienia.

• Jako wzmocnienia kompozytów konstrukcyjnych najczęściej

używanymi włóknami są:

węglowe lub grafitowe,

szklane,

borowe,

korundowe,

węglika krzemu,

Kevlar.

Włókno Kevlar

• Włókno

Kevlar

to

innowacyjny

materiał

opracowany

przez

DuPont,charakteryzujący się dużą
wytrzymałością i małym ciężarem.

• Przełomowe odkrycie naukowców firmy

DuPont

w

zakresie

polimerów

ciekłokrystalicznych w 1965 roku
stworzyło podstawę do wdrożenia
produkcji włókna aramidowego Kevlar

Biomateriały

• Biomateriały, materiały biomedyczne,

materiały

przeznaczone

do

wyrobu

elementów (np. kształtek, konstrukcji,
urządzeń)

na

stałe

lub

czasowo

zastępujących chore tkanki i narządy
albo ich części; są stosowane przede
wszystkim wewnętrznie.

• Do

biomateriałów

należą

niektóre

naturalne i syntet. polimery, metale
i ich stopy oraz ceramika i szkło.

Biomateriały

• Z metali i stopów wykonuje się

wszczepy czasowe: pręty, gwoździe,
druty, wkręty i płytki, stosowane
do nastawiania złamanych kości,
oraz wszczepy trwałe, jak protezy
stawów, sztuczne zastawki serca
oraz elementy stymulatorów serca,
wszczepy

stomatologiczne,

nici

chirurgiczne.

Biomateriały

• Coraz

większe

zastosowanie

mają tytan i jego stopy, których
gęstość i moduł sprężystości są
bardziej zbliżone do gęstości
i modułu kości niż stopów
kobaltowo-chromowych.

Materiały ceramiczne

• Materiały

ceramiczne

są

wykorzystywane

gł.

w ortopedii

i stomatologii;

jednym

z rodzajów

biomateriałów jest ceramika korundowa
— jej podstawowym składnikiem (99,5%)
jest korund (tlenek glinu, Al2O3), który
dzięki

takim

cechom,

jak:

duża

wytrzymałość mech., duża twardość,
odpowiednia gęstość, biozgodność, jest
stosowany na endoprotezy stawów.

Implanty

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.

• wiązania (zespolenia)

• szynowanie

• aparat dociskowy

• endoprotezy stawów
• steny (naczynia krwionośne)

IMPLANTY:

IMPLANTY:

BIOMATERIAŁY - IMPLANTOLOGIA

•

W zabiegach regeneracyjnych kość pochodzenia
autogennego (autoprzeszczepy) lub homogennego
(banki kości) bywa używana bardzo chętnie i z
dużym sukcesem klinicznym.

•

Aplikacja kości autogennej jest jednak
ograniczona poprzez jej dostępność i dodatkowy
stres pacjenta związany z kolejnym zabiegiem.

•

Zastosowanie kości homogennej wiąże się z
ryzykiem immunologicznym, ryzykiem infekcji
takimi chorobami jak AIDS czy żółtaczka

Struktura kości

BIOMATERIAŁY -

IMPLANTOLOGIA

• Na rynku dostępne są również alternatywne

syntetyczne substytuty kostne, takie jak np,
hydroksyapatyty, różniące się jednak od
tkanki kostnej swą strukturalną konstrukcją
i kompozycją.

• Przez lata poszukiwano preparatu całkowicie

wolnego od białek, mogących przenosić choroby.

• Za najważniejsze uznano możliwie największe

podobieństwo materiału do naturalnej
tkanki, warunkujące przyjęcie wszczepu przez
organizm

Hydroksya
patyt

Implant w stomatologii

BIOMATERIAŁY -

IMPLANTOLOGIA

• Opracowanie w 1985 roku materiału

Bio-Oss

stworzyło

dostępną

alternatywę zastosowania substytutu

posiadającego naturalną, mineralną

strukturę kości zbliżoną do ludzkiej

tkanki.

• Bio-Oss jest naturalnym materiałem

zastępczym pochodzącym z tkanki kostnej.

• Jako surowiec do produkcji Bio-Oss

wykorzystuje się kości wołowe

Bio – Oss

w formie granulek

Struktura preparatu Bio - Oss

Struktura zdrowej kości

Bio-Oss jest naturalnym materiałem

zastępczym pochodzącym z tkanki

kostnej, po około sześciu miesiącach,

cząsteczki Bio-Oss ulegają połączeniu

i tworzą nową strukturę kostną

Proces regeneracji kości na materiale Bio – Oss,

wytrzymałość implantu – 15 lat

BIOMATERIAŁY-

IMPLANTOLOGIA

• Materiał kostny jest podawany, procesowi

wygrzewania przez ponad 15 godzin w

temperaturze powyżej 300°C, a następnie

poddawany kąpieli cztero-godzinnej w

silnych zasadach o pH 13, następnie

dodatkowo

sterylizowany.

W wyniku tych procesów otrzymuje się

mineralną strukturę kostną Bio-Oss o

wysokim stopniu oczyszczenia

50-cio krotne powiększenie w mikroskopie

skaningowym

drobnoporowatej struktury

ludzkiej kości

BIOMATERIAŁY

IMPLANTOLOGIA

• Biomateriały dzięki równoczesnemu

użyciu ich z błoną zaporową służą w
chirurgii do:

• odbudowy kości wokół implantów

umieszczonych

w

zębodołach

poekstarakcyjnych

BIOMATERIAŁY

IMPLANTOLOGIA

• sterowana regeneracja kości w

defektach wyrostka lub odbudowa
wyrostka do implantacji

• podnoszeniu zatoki szczękowej

BIOMATERIAŁY

IMPLANTOLOGIA

• rekonstrukcji wyrostka do

uzupełnień protetycznych

• wypełnianie ubytków kostnych po

resekcjach, wyłuszczaniu torbieli,
ekstrakcjach zębów zatrzymanych itp.

BIOMATERIAŁY

IMPLANTOLOGIA

• regeneracji kości w peridontologii, a

uściślając w naprawie ubytków
kostnych spowodowanych paradontozą
i we wzmocnieniu rozchwianych zębów.
Dodatkowo stosuje się często
emdogain

•

EMDOGAIN jest preparatem

pochodzenia

wieprzowego

produkowanym przez szwedzką

firmę BIORA AB. Preparat jest

przedstawicielem

nowej,

biologicznej

koncepcji

regeneracji tkanek przyzębia.

Najważniejszym

składnikiem

EMDOGAIN jest amelogenina

- białko produkowane przez

organizm ludzki tylko w fazie

formowania zębów w życiu

płodowym każdego człowieka

amelogenina

Zdjęcie amelogeniny – met. AFM

Emdogain

• EMDOGAIN,

preparat

ten

jest

przedstawicielem często obecnie obowiązującej
w

medycynie

koncepcji

naśladowania

procesów

biologicznych

zachodzących

podczas

naturalnego

rozwoju

embrionalnego.

• Jest preparatem stosowanym w połączeniu z

zabiegiem chirurgii płatowej, pozwalającym
na regeneracje tkanek podporowych zęba,
utraconych na skutek paradontozy lub
urazu.

Inteligentne biomateriały

• Biomateriały, wrażliwe na obecność enzymów

katalizujących wiele procesów biochemicznych

i zmieniające w takich warunkach swe

właściwości makro- i mikroskopowe

• "Wrażliwe na enzymy" materiały (ang. enzyme

responsive materials - ERM) to nowoczesne,

"inteligentne" materiały, które w aktywny, widoczny

gołym okiem sposób reagują na obecność

katalitycznych biochemicznych molekuł (enzymów).

• Właściwości

nowych

"inteligentnych"

materiałów

typu

ERM

mogą

zostać

wykorzystane w nowoczesnej medycynie, np.

do regeneracji tkanek lub jako systemy

aktywnego dostarczania leków.

Inteligentne

biomateriały

Obecnie

znane

są

struktury

samoorganizujących się cząsteczek o
ciekawych własnościach, np. sztuczne
proteiny,

które

potrafią

zbudować

strukturę wrażliwą na m.in. zmianę
odczynu pH, struktury w kształcie rur,
które przepuszczają wybrane typy jonów,
struktury o budowie wielopłaszczyznowej
czy wreszcie struktury połączonych ze
sobą spiral.

BIODEGRADACJA

• Biodegradacja (gr. bios - życie, łac.

degradatio - obniżenie) to biochemiczny

rozkład związków organicznych przez

organizmy

żywe

(bakterie,

pierwotniaki, promieniowce, grzyby,

glony, robaki) na prostsze składniki

chemiczne

BIODEGRADACJA

• Termin biodegradacja, w odróżnieniu od terminu

mineralizacja, używany jest na ogół w odniesieniu do

substancji szkodliwych, np. pestycydów. Rozkładowi

ulegać może nawet 95% substancji organicznej.

• Biodegradację wykorzystuje się w biologicznych

oczyszczalniach

ścieków

oraz

w

stawach

biologicznych

(służących

do

fermentacyjnego

oczyszczania ścieków np.
z cukrowni).

• Konieczna jest do tego odpowiednia temperatura

oraz brak w ściekach substancji toksycznych dla

mikroorganizmów

(np.

detergentów

czy

pestycydów)

Schemat biologicznej
oczyszczalni ścieków

BIODEGRADACJA

• Biodegradacja ma zastosowanie

przy produkcji biogazu z

odpadów i ścieków, biomasy

paszowej ze ścieków, a także

pestycydów w opakowaniach

podatnych

na

biodegradację,

rozpuszczalnych w wodzie (np.

Tilt Premium 37,5 WP).

• Dużą

biodegradacją

charakteryzują

się

gleby

biologicznie aktywne, zasobne

w próchnicę

produkcja biogazu

biomasa

Sztućce wykonane z materiału

podlegającego biodegradacji

BIODEGRADACJA

• Wprowadzenie ścieków do rzeki (lub

jeziora) stanowi ostry stres dla biocenozy,

a jego skutkiem jest eliminacja wrażliwych

gatunków, najczęściej foto- i chemautotrofów,

równocześnie następuje dynamiczny rozwój

bakterii heterotroficznych i grzybów.

• W tych warunkach nasila się proces

biodegradacji związków organicznych i

wyczerpywanie tlenu rozpuszczonego w

wodzie oraz silnie ograniczony jest proces

fotosyntezy

 

                                                 

cyjanobakterie

BIODEGRADACJA

W

medycynie

biodegradacją

nazywamy

utratę

odpowiednich

właściwości

fizyko-chemicznych

biomateriału, z którego wykonany
jest wszczep, na skutek działania
organizmu.
W przeciwieństwie do resorpcji jest to
zjawisko niepożądane

Bakterie biodegradujące

BIODEGRADACJA

• Działania zniszczenia bądź intensywnego

zagospodarowania

prowadzą

do:

- wykorzystania odpadów jako surowców

wtórnych

- spalanie odpadów, które nie nadają się

do wykorzystania jako surowce wtórne

- biologiczna odbudowa i mineralizacja

odpadów

pochodzenia

zagranicznego

BIODEGRADACJA

Surowce

wtórne

są

wykorzystywane

jako

–

- pyły dymnicowe, i żużle (które mogła być
wykorzystywane jako wypełniacze do produkcji
rożnego rodzaju betonów, płyt - które w połączeniu z
destylacja ropy naftowej, i węgla kamiennego służą do
wykładania

dróg

nawierzchniowych,

bądź

tez

materiałów

budowlanych)

- makulatura i szmaty (które przerabia się na
rożnego gatunku papiery)

BIODEGRADACJA

• złom szklany (który sprawia wiele problemów, gdyż

oddzielenie jego od innych odpadków sprawia wiele

trudności, jednakże częściowo jest on przetapiany w

hucie szkła)

• złom metalowy (jest sortowany na metale kolorowe i

tak zwane żelazne – żeliwo i innego rodzaju stale – jest

przerabiany w butlach na pełnowartościowe surowce)

• odpadki z tworzyw sztucznych i gumy – które po

rozdrobnieniu poddaje się pirolizie – rozkład termiczny.

Proces pirolizy jest realizowany w oparciu o systemy

podgrzewania pośredniego bez dostępu powietrza.

Rozkład i odgazowanie następuje w komorze

ogrzewanej do temperatury 450-750°C

BIODEGRADACJA

• W dodatkowej komorze (wtórnej), gdzie dostarczane

jest powietrze, zachodzi dopalenie lotnych substancji

palnych), otrzymując różne węglowodory

• Polietylen – tworzywo termoplastyczne otrzymywane

przez polimeryzacje etylenu Polietylen - nCH2=CH2 -->

(-CH2-CH2-)n Z polietylenu wytwarza się artykuły

gospodarstwa domowego, butelki, wanienki i zabawki.

Polipropylen - -[CH2-CH(CH3)]n- wykładziny,

tapicerka

Polichlorek winylu (PCV) - - (CH2-CHCl)n- instalacje

rurowe, podłogi

Polistyren -[CH2-CH(C6H5)]n- galanteria, styropian

BIODEGRADACJA

• Biodegradacja (gr. bios - życie, łac.

degradatio

-

obniżenie)

to

biochemiczny

rozkład

związków

organicznych przez organizmy żywe
(bakterie, pierwotniaki, promieniowce,
grzyby, glony, robaki) na prostsze
składniki

chemiczne

Biodegradacja
polimerów

Włókna PLA po degradacji w środowisku wodnym, zawierającym

mikroorganizmy w temperaturze 55°C (A – przed biodegradacją, B – po

3 dniach, C – po 8 dniach, D – po 10 dniach, E – po 14 dniach, F – po 17

dniach)

BIODEGRADOWALNY

w warunkach kompostowania

Polimer

NatureWorks® PLA

Polilaktyd

BIODEGRADACJA

• 1. Aerobowe utlenianie materii organicznej

• W procesach uzdatniania wody utlenianie materii organicznej

realizowane jest przez bakterie heterotroficzne, tj. mikroorganizmy

wykorzystujące podatne na biodegradację substancje organiczne jako

donora elektronów i źródło węgla.

• Akceptorem elektronów jest tlen. Źródłem fosforu są zazwyczaj fosforany,

natomiast jako źródło azotu służą jony amonowe, azotyny lub azotany.

• W przypadku wody uzdatnianej do picia, z uwagi na stosunkowo

niskie

stężenie

materii

organicznej,

typowymi

organizmami

zasiedlającymi błonę biologiczną reaktorów do uzdatniania wody są

oligotrofy* zadowalające się niskim stężeniem substratów

• Jako modelową, dla utleniania podatnej na biodegradację materii

organicznej, podaje się reakcję biochemicznego rozkładu glukozy

C6H12O6 ---warunki aerobowe---> 6CO2 + 6H2O + 2,72 kJ mol -1

BIODEGRADACJA

• OLIGOTROFY

[oligo-

+

troficzny] biol.
rośliny

skąpożywne,

występujące

w

siedliskach

ubogich

w

substancje

odżywcze, np. borówka, lobelia,
rosiczka.

BIODEGRADACJA

• 2. Nitryfikacja

• Nitryfikacja proces utleniania amoniaku do azotanów

prowadzony przez bakterie nitryfikacyjne. Bakterie

Nitrosomonas zamieniają amoniak w postaci jonu

amonowego NH+4 w azotyny (azotany(III)) NO-2, które

zostają później zamienione w azotany(V) NO-3 przez

bakterie

Nitrobacter

• Proces utleniania na drodze biochemicznej jonu

amonowego do azotynowego lub azotanowego. Jest to

proces dwuetapowy, realizowany przez dwa różne, ale

wspólnie działające gatunki bakterii autotroficznych. W

pierwszym etapie bakterie Nitrosomonas wykorzystują

NH+4 jako donory elektronów, utleniając je do jonów NO-

2, w drugim bakterie Nitrobacter wykorzystują jony NO-

2 jako donory elektronów, utleniając je do jonów NO-3

Nitrobacter

Nitrosomonas

BIODEGRADACJA

I etap (Nitrosomonas):
15CO2 + 13NH+4 -> 10NO-2 +
3C5H7O2N + 23H+ +4H2O + 270 kJ mol-
1

II etap (Nitrobacter):
5CO2 + NH+4 + 10NO-2 + 2H2O ->
10NO-3 + C5H7O2N + 80 kJ mol-1

BIODEGRADACJA

3.Denitryfikacja

Denitryfikacja - reakcja chemiczna, proces

redukcji azotanu w azot w stanie

gazowym.

Proces biochemiczny, w którym jony NO-3, lub

NO-2 są akceptorami elektronów, a ich

donorami mogą być: substancje organiczne,

zredukowane związki siarki lub wodór gazowy.

We

wszystkich

przypadkach

tlen

jest

naturalnym

konkurentem

azotanów

jako

akceptor elektronów, jego obecność inhibituje

więc denitryfikację

BIODEGRADACJA

• Denitryfikacja heterotroficzna –

Pseudomonas denitrificans

• Denitryfikacja autotroficzna:

a) siarkowo-wapniowa – Thiobacillus
denitrificans
b) bakterie utleniające wodór – Pseudomonas
maltophilia

Thiobacillus denitrificans

Pseudomonas
maltophilia

BIODEGRADACJA

4.

Biologiczne

utlenianie

żelaza

i

manganu

Proces opiera się na katalizowanym przez

bakterie utlenianiu Fe2+ i Mn2+ do Fe3+ i

Mn4+ z wytrąceniem się nierozpuszczalnych

Fe(OH)3,

Fe(CO3)3

i

MnO2.

W pH typowym dla procesu uzdatniania wody

jony Fe2+ wykorzystywane są jako donory

elektronów

przez

bakterie

Gallionella,

Leptothrix, Siderococcus i Pseudomonas

Gallionella

Leptothrix

Siderococcus

RESORPCJA

• Resorpcja - odmiana sorpcji -

wchłanianie zwrotne

• Termin ten jest szczególnie często

używany w medycynie i oznacza w

zależności od kontekstu różne

zjawiska

•

Resorpcja pokarmu - oznacza proces wchłaniania

składników, który ma miejsce w jelitach cienkich.

•

Resorpcja kości - to powolne wchłanianie składników

mineralnych kości, prowadząca do jej wymiany lub

zaniku - w zdrowym organizmie jest ona procesem

naturalnym, prowadzącym do odnowy tkanki kostnej.

Wzmożona resorpcja kości jest jednym z objawów

osteoporozy.

•

Resorpcja w nerkach - to zwrotne wchłanianie wody,

niektórych jonów (np. potasu, sodu), aminokwasów oraz

glukozy w procesie powstawania moczu. Zachodzi w

kanaliku nerkowym.

•

Resorpcja embrionu - rozłożenie i wchłonięcie

martwego embrionu wewnątrz macicy

RESORPCJA

Resorpcja kostna

RECYKLING

•

Recykling

(ang.

recycling)

-

jedna

z

kompleksowych metod ochrony środowiska

naturalnego. Jej zadaniem jest ograniczenie

zużycia surowców naturalnych oraz zmniejszenie

ilości odpadów.

•

Recykling

jest

systemem

wielokrotnego

wykorzystywania tych samych materiałów, w

kolejnych dobrach materialnych i użytkowych.

•

Chronione są w ten sposób nieodnawialne lub

trudno

odnawialne

źródła

surowców,

a

jednocześnie

ograniczana

jest

produkcja

odpadów,

które

musiałyby

być

gdzieś

składowane lub utylizowane

RECYKLING

• Pośrednio

środowisko

naturalne

jest

chronione również poprzez zmniejszenie
zużycia surowców energetycznych, które
musiałyby być użyte w procesach pozyskania
surowców

z

natury

i

późniejszego

zagospodarowania ich odpadów.

• Recykling to coś więcej, niż tylko

wykorzystywanie surowców wtórnych.
Jest to system pełnej organizacji obiegu
pewnych materiałów

RECYKLING

• Recykling od dawna jest obecny w naszej

cywilizacji. Od kilku tysięcy lat to ważny i
nieunikniony proces zachodzący w kulturze i
cywilizacji.

• Sumerowie, Hetyci, Egipcjanie, Asyryjczycy,

Babilończycy, Rzymianie, Grecy czy Fenicjanie
znali

zasady

umiejętnego

używania

i

przetwarzania zużytych elementów

Mityczna geneza
recyklingu

RECYKLING

• Odzysk to wszelkie działania, które nie

stwarzają zagrożenia dla zdrowia i życia

ludzi lub środowiska, a które polegają na

wykorzystaniu odpadów w całości lub w

części a także zmierzają do odzyskania z

odpadów materiałów, substancji lub energii.

• Recykling i organizacja odzysku to

złożony

system,

obejmujący

pełną

organizację obiegu takich materiałów, które

mogą być wielokrotnie przetwarzane

RECYKLING - RODZAJE

• Ponowne zastosowanie - powtarzające się zastosowanie

materiału lub produktu w tym samym celu (np

bieżnikowanie

opon,

butelki

na

wymianę)

• Dalsze zastosowanie - użycie odpadów do nowych

zastosowań

po

odpowiedniej

przeróbce

fizycznej,

chemicznej lub biologicznej (np granulacja zużytych

tworzyw sztucznych i opon, gdzie granulat jest stosowany

jako

wypełniacz

w

materiałach

budowlanych)

• Ponowne zużytkowanie - odzyskiwanie odpadów

chemicznych ze śmieci i ponowne wprowadzenie ich do

produkcji (np użycie wraków samochodowych w

stalowniach)

RECYKLING

Od niedawna istnieje jeszcze jedne
podział recyklingu - ze względu na
specyfikę technologi. Wyróżnia się
trzy główne metody:

• Materiałowy
• Surowcowy
• Energetyczny

RECYKLING

• Materiałowy

(mechaniczny)

Najbardziej

preferowana forma recyklingu. Polega na

ponownym

przetwarzaniu

odpadów

w

produkt o wartości użytkowej.

• Zazwyczaj

jest

to

wyrób

o

innym

przeznaczeniu niż pierwotny, co tworzy

system kaskadowy, w którym każdy następny

etap

ma

mniejsze

wymagania

stawiane

produktom.

• Odpowiedni dobór kompozycji pozwala na

przetwórstwo materiałów wtórnych z dużą

wydajnością przy dobrej jakości wyrobów.

Ta metoda jest technologicznie prosta o ile

dotyczy tworzyw o identycznej strukturze

chemicznej

RECYKLING

• Surowcowy

(chemiczny).

Polega

na

odzyskiwaniu surowców użytych do produkcji

danego wyrobu. Surowce mogą być ponownie

wykorzystane

do

wytworzenia

pełnowartościowych tworzyw, a odpady powstałe

w wyniku tej metody (petrochemiczne frakcje

lekkie i ciężkie) mogą stanowić domieszkę do

paliw i smarów. Podstawową zaletą tej metody

jest

możliwość

przeróbki

tworzyw

bez

uprzedniej ich segregacji.

• Natomiast

stosowanie

skomplikowanych

instalacji, wysokiej temperatury, ciśnienia,

katalizatorów

oraz

ścisła

kontrola

parametrów

powodują

ograniczenia

w

upowszechnianiu tej grupy metod recyklingu

RECYKLING

• Energetyczny (spalanie

z

odzyskiem

energii).

Polega

na

częściowym

odzyskaniu

energii,

zużytej

na

wytworzenie wyrobów, które znajdują się na
wysypisku (w tym także opakowań)

RECYKLING

Recykling dzieli się na poszczególne etapy:

• Sortowanie,

polega

na

rozdzieleniu

różnych

rodzajów

odpadów.

Najkorzystniejsze jest, gdy sortowanie

odbywa się na etapie selektywnej zbiórki

odpadów. Dokonywane jest ono przez

użytkowników, a więc odbywa się na etapie

najbliższym powstawania odpadów. Odpady

ze zbiórek są mniej zanieczyszczone i

bardziej

przydatne

do

obróbki

System automatycznego

sortowania odpadów

RECYKLING

• Rozdrabnianie, odpady gromadzone w

pojemnikach do zbiórki selektywnej są
zazwyczaj w formie nieprzydatnej do
bezpośredniego

przetwórstwa.

Rozdrabnianie

tworzyw

sztucznych

odbywa się w młynach wyposażonych w
noże tnące oraz sita separujące odpady
o wymaganej wielkości. Rozdrobnienie
odpadów

ułatwia

ich

transport

RECYKLING

• Mycie, odpady ze szkła i tworzyw

sztucznych

są

z

reguły

zanieczyszczone i wymagają mycia. W
tym celu stosuje się wanny myjące
zawierające

kąpiele

wodne

z

detergentami. Po myciu konieczne
jest

odwirowanie

i

osuszenie

odpadów

RECYKLING

• Wytłaczanie, stanowi zasadniczy

element

linii

technologicznej

recyklingu mechanicznego. W tym
etapie wytwarzany jest produkt
końcowy, który może być granulat
lub, w przypadku szkła, wyrób
finalny o formie użytkowej

RECYKLING

• Pozostałe, w linii recyklingu

powinny znajdować się także
elementy towarzyszące takie,
jak transportery, cyklony
oraz silosy, które spełniają
funkcje

magazynowe

i

homogenizujące

odpady.

Dodatkowo mogą występować
specyficzne

urządzenia

pomocnicze:

krystalizatory

czy aglomeraty

Paleta zbiornikowa

Porfirynowe materiały samoorganizujace się

PORFIRYNY

Porfiryny to organiczne związki
heterocykliczne składające się z
czterech pierścieni pirolowych,
połączonych

mostkami

metinowymi =CH-. Pod względem
budowy cząsteczki, wszystkie związki
z

tej

grupy

są

pochodnymi

najprostszej porfiryny zwanej po
prostu porfiną

PORFIRYNA

•Porfiryny mają
charakter
aromatyczny,
zawierają 22
zdelokalizowane
elektrony typu π i
spełniają regułę
Huckla.
•Intensywnie
absorbują światło w
zakresie widzialnym.
Posiadają
intensywną barwę
zarówno jako ciała
stałe, jak i w
roztworach

.

PORFIRYNY

• Związki

te

występują

głównie

w

białkach

zawierających hem (hemoglobina), a także w

ludzkich odchodach (koproporfiryna) i moczu

chorych na porfirię (uroporfiryna). Moża je też

otrzymywać syntetycznie
Zastosowania:

• Syntetyczne porfiryny są szeroko stosowane jako

ligandy

w

związkach

kompleksowych

wykorzystywanych

do

katalizy

i

badań

modelowych.

• Są też stosowane jako czynniki uczulające przy

fotodynamicznej terapii przeciwnowotworowej

(PDT, Photodynamic Therapy)

Porfirynowe

materiały

samoorganizujące

się

Schematic of one of four self-assembling porphyrin
systems self-organized into bilayers to form a
functional device. The orientation of the porphyrin
tape (top and bottom arrays) can be in any direction
such that the porphyrin planes are perpendicular to
the bilayer-water interface. It is difficult to quantify
the yield of membrane-spanning porphyrin arrays, so
it is reasonable to expect some monomers-to-trimers
to be present in the system (middle). The electron
donor, D, is K4Fe(CN)6 and the acceptor, A, is
anthraquinonesulfate (AQS). The bottom graph
illustrates the exponentially varying dielectric
constant

Samoorganizacja

u organizmów żywych

Bezkręgowce :

• pojedyncze, krystaliczne

kolce

• gąbczaste, pojedyncze

kryształy – gąbki

Bakterie:

• zmineralizowane błony

komórkowe

Rośliny:

• układ włókien błonnika

Zwierzęta:

• samoorganizację materiału

można zaobserwować – np.

w budowie kości

LITERATURA

1.   

Szlezyngier W., Tworzywa sztuczne, T. 3, Wyd. „Fosze”,

Rzeszów 1999.

2.      Gruin I., Materiały Polimerowe, PWN S.A., Warszawa 2003.
3.     Elias M. G., An Introduction to Plastics, WCH Publishers,

Inc., New York 1993.

4.  Królikowski

W.,

Polimerowe

Materiały

Specjalne,

Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin
1998.

5.     Florjańczyk Z., Penczka St., (red.), Chemia Polimerów, T. 3,

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa
1998.

6.

Błażewicz S., Stoch L., Biomateriały, T. 4, Akademicka Oficyna

Wydawnicza Exit, Warszawa 2004.