2013-06-12
Bioceramika
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
Biomateriały - wszelkie substancje obojętne chemicznie i
farmakologicznie, nieaktywne w stosunku do żywych tkanek,
przeznaczone na wszczepy lub stanowiące materiał do budowy urządzeń
spełniających czasowo lub na stałe funkcje uszkodzonych narządów (IV
Międzynarodowe Sympozjum Biomateriałów, 1974).
Biomateriały - substancje, inne niż lek albo kombinacja substancji
syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w dowolnym
okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek
narządu albo jego części lub spełnianie ich funkcji (Biomaterials
Consensus Conference, 1982).
Biozgodność - cecha substancji lub materiału warunkująca jego
prawidłowe działanie w żywym organizmie. Materiał o dużej biozgodności
powinien charakteryzować się brakiem toksyczności, brakiem wpływu na
układ immunologiczny organizmu oraz niewywoływaniem hemolizy.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
I generacja  od 1950  materiały bioobojętne;
II generacja  od 1980  materiały bioaktywne;
III generacja  od 2000  materiały odtwarzające funkcje tkanek;
Podział biomateriałów
" wszczepy (implanty) biostatyczne, bioestetyczne i biomechaniczne,
" materiały do zespalania tkanek (nici chirurgiczne, kleje do tkanek,
cementy kostne),
" wszczepy (implanty) przeznaczone do kontaktu z krążącą krwią,
" sztuczne narządy i ich części,
" błony półprzepuszczalne i inne części aparatury krążenia
pozaustrojowego,
" preparaty farmaceutyczne (nośniki leków),
" inne, m. in. kontaktowe soczewki oczne.
1
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
Wymagania
" trwałość fizyczna,
" czystość chemiczna, określony skład fazowy,
" odpowiednio wysokie parametry mechaniczne związane z
biomechaniką w tym wysoka odporność na zużycie,
" odpowiednia porowatość,
" stabilność chemiczna w środowisku żywych tkanek,
" termostabilność  niezmienność w czasie sterylizacji,
" biozgodność i stabilność biologiczna przez długi okres czasu,
" brak cytotoksyczności,
" brak alergenności,
" braki działania drażniącego i uszkadzającego sąsiadujące tkanki,
" brak działania rakotwórczego,
" hemozgodność,
" dobra adaptacja w organizmie.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
Polimery - PMMA, PVC, PLA/PGA, PE, PP, PA, PTFE, PET, PUR, silikony
Zalety
" A
atwość wykonania kompletnego elementu,
" Dostosowalność właściwości fizycznych i mechanicznych,
" Możliwość modyfikacji powierzchni,
" Możliwość wiązania komórek,
" Biodegradowalność.
Wady
" Rozpuszczalność,
" Absorbcja wody i białek,
" Zanieczyszczenie powierzchni,
" Ścieralność i łamliwość,
" Biodegradowalność,
" Trudności ze sterylizacją,
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
Metale  stal nierdzewna, tytan, złoto, kobalt-chrom, tytan-nikiel &
Zalety
" Wysoka wytrzymałość,
" Odporność zmęczeniowa,
" Niska ścieralność,
" A
atwość wytwarzania,
" A
atwość sterylizacji,
" Możliwości pamięci kształtu.
Wady
" Wysoki moduł,
" Podatność na korozję,
" Toksyczność,
"  Metaliczny wygląd.
2
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Biomateriały
Materiały ceramiczne  tlenek glinu, dwutlenek cyrkonu, fosforany
wapnia, szkła, węgiel
Zalety
" Wysoka wytrzymałość,
" Odporność korozyjna i na ścieranie,
" Wysoka gładkość powierzchni,
" Bioaktywność, bioobojętność.
Wady
" Wysoki moduł sztywności,
" Niska odporność na pękanie,
" Trudności w wytwarzaniu.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Historia
" ok. 4000 lat, czaszka z ubytkiem zębowym uzupełnionym masą
perłową (aragonit z policukrami i białkami), cywilizacja Majów,
odkrycie 1972, Amadeo Bobbio,
" XVIII w.  porcelanowe koronki zębowe, gipsowe uzupełnienia kostne,
" 1920 r.  fosforan wapniowy jako materiał na ubytki kostne,
" 1965 r.  patent na protezę stawu biodrowego z tlenku glinu,
" lata 1970-80  nowe materiały na ubytki kostne (HAp) i protezę
(ZrO2),
" lata  90  kompozyty,
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Tlenek glinu
Ti6Al4V 316SS CoCr TZP Al2O3
Moduł Young a, GPa 110 200 230 210 380
Wytrzymałość, MPa 800 650 700 900-1200 500
Twardość HV 100 190 300 1200 2200
Oprócz bardzo dobrych właściwości mechanicznych, odporności
chemicznej i trwałości wyroby korundowe są lepiej zwilżalne in vivo a
także &
3
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Tlenek glinu
& charakteryzują się bardzo niską ścieralnością w każdym rodzaju
połączenia: ceramika/metal, ceramika/polimer i ceramika/ceramika.
zużycie liniowe, mm zużycie objętościowe, mm3
metal/polimer 0,2 55,71
ceramika/polimer 0,1 17,10
metal/metal 0,01 0,88
ceramika/ceramika 0,005 0,04
Gwarantuje to brak luz
nych, niebiozgodnych, ziaren pochodzących ze
zużytego materiału i możliwość zastosowania korundu jako&
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Tlenek glinu
& główek protezy stawu biodrowego, płytek i wkrętów kostnych, pokryć
porowatych na trzpienie protez, porowatych kształtek dystansowych,
elementów protez kolanowych, koronek i mostków stomatologicznych.
Zalety:
Bioobojętność, słaba odpowiedz
układu odpornościowego na wszczepy,
Wady:
Słabe przerastanie tkanką kostną,
BIOLOX�forte
Brak dobrego przylegania tkanek miękkich,
Pękanie w środowisku in vivo.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Dwutlenek cyrkonu
Pierwsze badania nad ZrO2 jako biomateriałem pochodzą z lat  60 a
pierwsze zastosowanie, jako THR (Total Hip Replacement), miało miejsce
w 1988 r. Stosuje się roztwory stałe typu TZP z Y2O3 albo typu PSZ z
CaO lub MgO. Zakres zastosowania pokrywa się z wyrobami
korundowymi. W porównanie z korundem TZP i PSZ mają wyższą
wytrzymałość i odporność na kruche pękanie są również bardziej
biozgodne.
Do roku 2000 zaimplantowano ponad 300 000 THR z główkami z
dwutlenku cyrkonu przy zaledwie dwóch negatywnych skutkach ale &
4
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Dwutlenek cyrkonu
& w latach 2000 i 2001, w krótkich odstępach czasu, doszło do ponad
400 przypadków zniszczeń protez zwłaszcza firmy Prozyr. Przyczyna 
przemiana fazy tetragonalnej w jednoskośną i związana z tym zmiana
objętości:
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Dwutlenek cyrkonu
& co w połączeniu z tarciem:
powoduje szybką degradację materiału. Przyczyny tego zjawiska
związane są głównie z reakcją chemiczną z elektrolitami i
nierównowagowym stanem powierzchni.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Dwutlenek cyrkonu
Rozwiązanie problemu związane było z zastosowaniem kompozytów i
zmianą mikrostruktury:
BIOLOX�delta
82 % obj. Al2O3 + 17% obj. Y2O3-ZrO2
+ 1 % obj. Cr + 1 % obj. Sr 
SrAl12O19 (płaskie ziarna)
5
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Dwutlenek cyrkonu
Rozwiązanie problemu związane było z zastosowaniem kompozytów i
zmianą mikrostruktury:
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Bioszkła
Pierwsze bioszkło (Bioglass�) wytworzył 1967 r. Larry Hench. Przyczyną
była konieczność znalezienia taniego materiału umożliwiającego szybkie
interwencje chirurgiczne na żołnierzach rannych w Wietnamie.
Poszukiwano materiału tworzącego bezpośrednie połączenia pomiędzy
tkankami bez konieczności stosowania metalicznych czy polimerowych
implantów. Na początku lat  70 stwierdzono, że niektóre materiały w
układzie Na2O CaO P2O5 SiO2 z niewielkimi dodatkami B2O3 oraz CaF2
tworzą silne połączenia z kością.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Bioszkła
Z punktu widzenia właściwości wiążących w stosunku do kości optymalny
jest obszar na diagramie fazowym Na2O CaO SiO2 wokół potrójnej
eutektyki w pobliżu 45S5 (45 % SiO2, stosunek CaO do P2O5 = 5).
SiO2
A: wiązanie w ciągu 30 dni,
B: brak wiązania, reaktywność zbyt niska,
C: brak wiązania, reaktywność zbyt wysoka,
B
D: wiązanie,
C
A
D
CaO Na2O
6
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Bioszkła
W zależności od potrzeb (czas wiązania, rodzaj kości) modyfikuje się
skład chemiczny bioszkła.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Bioszkła
Etapy działania wiążącego bioszkieł:
" Implantacja bioszkła,
" Wymiana jonów sodu na jony wodorowe,
" Rozpuszczanie i wtórna polimeryzacja SiO2,
" Wytrącanie bezpostaciowego fosforanu wapniowego,
" Zarodkowanie i krystalizacja hydroksyapatytu,
" Absorbcja cząstek biologicznych,
" Uaktywnienie makrofagów,
" Przyłączenia hemocytoblastów,
" Podział hemocytoblastów,
" Narastanie kolonii komórkowych,
" Krystalizacja matrycy kostnej,
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Fosforany wapnia
W 1920 r. de Jong zaobserwował, że obraz dyfrakcyjny (XRD) materiału
naturalnej kości jest podobny do obrazu jednego z fosforanów wapnia 
hydroksyapatytu. Póz
niejsze badania wykazały, że głównym mineralnym
składnikiem kości jest mineralny hydroksyapatyt zawierający w
strukturze różnego rodzaju podstawienia takie jak OH-, CO32-, Cl- F-.
7
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Fosforany wapnia
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Fosforany wapnia
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Hydroksyapatyt
" HAp mineralny  rzadko występujący minerał z grupy apatytów. W
przyrodzie występuje wiele różnorodnych minerałów apatytowych,
głównie apatyt fluorowy Ca10(PO4)6F2. Minerały apatytowe można
spotkać w skałach magmowych, wapiennych skał metamorficznych a
także obecne są w fosforanowych skałach osadowych. Apatyty i
fosforyty naturalne wykorzystuje się w produkcji nawozów sztucznych,
a także dla przemysłu metalurgicznego, szklarskiego i ceramicznego.
Stosunkowo duże złoża są w Maroku, Szwecji i na Florydzie zaś w
Polsce w okolicach Karpacza.
8
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Hydroksyapatyt
" HAp mineralny,
" HAp biologiczny - zasadniczy składnik kości i zębów. Apatyty kostne
tworzą drobne izometryczne kryształy o rozmiarach 20  30 nm lub
kryształy iglaste bądz
płytkowe o długości 40  60 nm, szerokości 20
nm i grubości 1,5  5 nm. Wykazują one bardzo duże rozwinięcie
powierzchni rzędu 100 m2�g-1. Decydują one o odpowiedniej
sztywności i wytrzymałości mechanicznej kości. y
ródło  kości
wołowe, wieprzowe, tuńczyka &
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Hydroksyapatyt
" HAp mineralny,
" HAp biologiczny,
" HAp syntetyczny  wytwarzany w wyniku bezpośredniej reakcji
pomiędzy CaO i H3PO4 w środowisku o kontrolowanym pH.
10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 �� Ca10(PO4)6(OH)2 Ż� + 18 H2O
O morfologii proszku decyduje zespół parametrów fizycznych.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Hydroksyapatyt
9
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Fosforany trójwapniowe  TCP
Ca3(PO4)2  jego mineralogicznym odpowiednikiem jest whitelockit. TCP
jest materiałem pokrewnym do hydroksyapatytu lecz w przeciwieństwie
do niego, nie zawiera wody konstytucyjnej. Stosunek molowy Ca:P
wynosi dokładnie 1,5. Istnieją dwie odmiany polimorficzne:
niskotemperaturowa, trwała do temperatury 1125�C (b�-TCP) oraz
wysokotemperaturowa (a�-TCP). Przemianie polimorficznej towarzyszy
zmiana objętości właściwej o ok. 7,3 % czego skutkiem mogą być
mikropęknięcia a w rezultacie obniżenia wytrzymałości wyrobów.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Zastosowanie HAp i TCP
W formie proszku:
" W stomatologii do wypełnień ubytków, do leczenia perforowanych
kanałów korzeniowych, jako uszczelniacz kanałowy, jako dodatek do
cementów dentystycznych, jako pokrycia na implantach
dentystycznych i ortopedycznych,
" w chirurgii twarzoczaszki do wypełnień ubytków po usuniętych
torbielach, guzach niezłośliwych, oraz w leczeniu ubytków
pourazowych, po usunięciu ciała obcego,
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Zastosowanie HAp i TCP
W formie granul:
" W stomatologii jako wypełnienie zanikłej krawędzi wyrostka
zębodołowego, jako uzupełnienie ubytków kostnych powstałych na
skutek zabiegów hemisekcji, radektomii, amputacji korzenia zęba lub
po operacji cyst korzeniowych,
" w chirurgii szczękowo-twarzowej do wypełnień ubytków kostnych po
usuniętych torbielach i guzach, bądz
też ubytków powstałych na
skutek urazów,
" W ortopedii do wypełnień ubytków,
10
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Zastosowanie HAp i TCP
W postaci kształtek porowatych:
" wypełnienie poekstrakcyjnych zębodołów,
" wypełnienia ubytków kostnych w ortopedii
" jako nośnik leków,
" jako podłoże do hodowli komórek,
W formie kształtek gęstych:
" jako implanty kostne dna oczodołu,
" w otolaryngologii jako implanty ucha środkowego,
" jako tzw. implant PD (Percutaneous Device) stanowiący fragment np.
zestawu do dializy metodą otrzewnową,
" w inżynierii tkankowej  jako podłoże do hodowli tkanek.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Zastosowanie HAp i TCP
Zachowanie się materiału w środowisku in vivo zależy od składu fazoweg
i morfologii.
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Zastosowanie HAp i TCP
Przed operacją Po operacji
6 miesięcy 12 miesięcy
11
2013-06-12
Materiały Ceramiczne  Wykład 9  Bioceramika
Bioceramika
Warto zajmować się bioceramiką?
12