Spis treści [Ctrl+klik prowadzi do danej sekcji]

[2B][1A] Biomateriały - definicja

„Biomateriał - substancja inna niż lek lub kombinacje substancji syntetycznych/naturalnych, która może być użyta w dowolnym czasie jako część lub całość systemu, zastępując tkankę lub organ, bądź pełniąc jego funkcje.”

„Jest to materiał przeznaczony do współistnienia z biologicznymi systemami, przeznaczony do leczenia, diagnozowania, poprawiania lub zastąpienia częściowego lub całkowitego tkanki, narządu lub spełniania ich funkcji w organizmie.

Jest to materiał (nieożywiony) stosowany w wyrobach, urządzeniach lub też przyrządach medycznych, przeznaczonych do oddziaływania z biologicznymi systemami.

Jest to materiał pochodzenia naturalnego lub sztucznego, użyty do wspomagania lub zastąpienia funkcji żywych tkanek.”

[2B][1B] Biomateriały - cechy

• biokompatybilność = biozgodność = zgodność biologiczna = tolerancja w tkankach

• nie wywołuje ostrych i przewlekłych reakcji

• nie wywołuje stanów zapalnych

• nie przeszkadza należytemu różnicowaniu się tkanek w otoczeniu implantu

• nie inicjuje reakcji immunologicznych

• nie inicjuje reakcji toksykologicznych

• nie drażni tkanek

• reaktywność

• odporność na korozję

• odporność na biodegradację

• zgodność bioelektroniczna

• odpowiednie własności półprzewodnikowe

• odpowiednie własności piezoelektryczne

• odpowiednie własności magnetyczne

• dla implantów na >30 dni badane są: toksyczność (cytot., t. ogólnoustrojowa, t. subchroniczna, t. przewlekła, genot.), działanie uczulające i drażniące, reaktywność śródskórna

[2B] Biomateriały - grupy

• ???

[2Ć] Biomateriały - definicje cech

• wytrzymałość = odporność mechaniczna = graniczna wartość naprężenia = (w. na rozciąganie, w. naściskanie, w. na zginanie, w. na skręcanie)

• właściwości plastyczne - określane na podstawie wydłużenia i przewężenia przy rozciąganiu

• twardość - odporność na trwałe odkształcenia pod wpływem skupionego nacisku

• sprężystość - odkształcanie pod wpływem obciążeń i powracanie do pierwotnego wymiaru i kształtu po ich ustąpieniu

• ciągliwość - trwałe odkształcenie się pod wpływem sił zewnętrznych (bez pęknięć) = wyraża podatność na kruche pękanie

• wytrzymałość zmęczeniowa / korozja zmęczeniowa (implanty)

• granica sprężystości

• moduł sprężystości

[XX] implanty polimerowe - biodegradacja

• odczyny tkankowe w obecności obcego polimeru:

• wchłanianie: rozpuszczanie wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe (cementów kostnych, klejów do tkanek, biopolimerów zużywających się) a dalej wchłanianie do tkanek i naczyń,

• oddzielanie: odczyn zapalny, przekrwienie, przesięk, wysięk, angiogeneza, tworzenie ziarniny i rozpuszczanie tkanek, co prowadzi do poluzowania implantu i jego wydalenie,

• otorbienie: wytworzenie ziarniny niezapalnej i przekształcenie jej we włóknistą tkankę bliznowatą

• organizacja: wrastanie tkanki do implantu z likwidacją krwiaków, zakrzepów i zlepów włóknika

• odczyny późne dobrze wgojonego implantu polimerowego:

• degeneracja powierzchni implantów

• uwapnienie porowatych polimerów i ich stwardnienie

• enzymoliza, lipoliza, hydroliza

• degradacja implantu: objętościowa, powierzchniowa

[2R] Korozja

• środowisko korozji - z termodynamicznego punktu widzenia obserwuje w nim się znaczne obniżenie energii swobodnej związanej z przejściem metalu ze stanu metalicznego w odpowiednie produkty korozji

• pasywność = oporność na korozję = zmiana elektrochemicznych własności metali/stopów wynikająca z przejścia ze stanu aktywnego w mniej aktywny (zbliżony do metali szlachetnych)

• stymulatory korozji (działanie depasywacyjne): np. Cl^-, związki kompleksotwórcze
  inhibitory korozji (silne utleniacze): np. tworzące trudno rozpuszczalne związki z metalem (np. fosforany)

• implanty są Cr-Ni-Mo, Co lub Ti - pod warunkiem skutecznej warstwy pasywnej; warstwa pasywna jest wytwarzana w końcowym etapie ich polerowania lub jako oddzielny zabieg pasywacji (mogą pozostać na powierzchni drobne wżery)

• stopy uzyskują właściwości pasywne przy określonych składach chemicznych (skład krytyczny); jeśli w stopie są składniki w ilości większej niż krytyczna to warstwa pasywna na powierzchni stopu uzyskuje skład fazowy gwarantujące ochronę

• wodne roztwory chlorków i chloranów są bardzo agresywne, szczególnie dla stopów; powodują zanik lub uniemożliwiają tworzenie warstwy pasywnej na Fe, Cr, Ni, Co i stali kwasoodpornej; zmiany mają charakter lokalny, tworzą się punktowe miejsca anodowe otoczone obszarami katodowymi spasywowanego metalu tworząc ogniwa pasywno-aktywne a później głębokie wżery;

• naprężenia i odkształcenia (przedzabiegowe, zabiegowe, użytkowe) uszkadzają warstwę pasywną i powodują powstanie ogniw aktywno-pasywnych a dalej wżerów w części nieodkształconej i równomiernej korozji części odkształconej;

• rodzaje niszczenia implantów metalowych:

• mechaniczne (przedoperacyjne, przeciążeniowe)

• korozyjne (k. wżerowa, k. szczelinowa, k. naprężeniowa, k. zmęczeniowa)*

• użytkowe (k. ścierna)

*) jest jeszcze k. ogólna

[2Q][1L] Stopy (Kordasz, Marciniak)

[2T] STALE AUSTENITYCZNE [Cr-Ni-Mo]

• skład:

• Cr (16-23%) + Ni (11-16%) + Mo (1,5-5%)

• śladowe: Mn (<2%) + Nb (0,1-0,8%) + N (<0,1%) + C (<0,08%)

• kryterium odporności na korozję wżerową : ∑%Cr+(3÷3,3)%Mo ≥ 26

• Cr i Mo przyczyniają się do pasywacji i odporności na korozję wżerową, Ni chroni przed korozją wżerową i naprężeniową,

• cechy: dobra wytrzymałość i ciągliwość, zmniejszona podatność na pękanie, najmniejsza odporność na korozję (w tkankach nie pasywują, ulegają korozji szczelinowej, wżerowej i zmęczeniowej)

• t. topn.: ???

STOPY NA OSNOWIE KOBALTU [Co-Cr-(Ni)-Mo]

• Co nie jest plastyczny, więc stosowany w stopach

• skład:

• obrabiane plastycznie: Co (głównie) + Cr (18-22%) + Ni (9-37%) + Mo (3-7,5%) [+ W (3-16%)] [+ Ti (<2,5%)]

• odlewane: Co (głównie) + Cr (25-30%) + Ni (<2%) + Mo (4,5-7%)

• śladowe: C, Si, Fe

• dobra biokompatybilność (lepsza niż stali austenitycznych)

• odporność na korozję (k. wżerową i k. szczelinową [Cr, Mo] oraz k. naprężeniową i k. zmęczeniową), również w r-rach chlorków i fizjologicznych; większa przy plastycznych

• zdolność repasywacji w tkankach

• t. topn.: ???

STOPY NA Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU [Ni-Ti]

• skład:

• Ni (54,5-57%) + Ti (42-45%)

• śladowe: C > Co > Fe > O > Nb > Cu > Cr > H

• dobra biokompatybilność (porównywalna ze stalami austenitycznymi)

• dobra odporność na korozję(porównywalna ze stalami austenitycznymi)

• efekt pamięci kształtu i efekt nadsprężystości

• t. topn.: 1250-1310 °C

[2P][1W] TYTAN [Ti]

• odmiany alotropowe α i β

• dobra biokompatybilność

• mały ciężar właściwy

• bardzo dobra odporność na korozję (k. wżerową, k. międzykrystaliczną i k. naprężeniową), nawet w obecności chlorków, chloranów, siarczków, amoniaku, wody morskiej, H₂O₂, kwasu azotowego i siarkowodorowego … (inne silniejsze kwasy jednak na niego działają)

• t. topn.: ???

[2P][1W] STOPY TYTANU [Ti-Al-(V/Nb-Ta)]

• stopy jednofazowe α, jednofazowe β, dwufazowe α+β (stosowane te ostatnie)

• najpopularniejszy na implanty: stop Ti-6Al-4V (6%Al-4%V) - stop dwufazowy α+β

• skład: Ti (~90%) + Al (5,5-6,75%) + V (3,5-5%), śladowe Fe > O > H > C

• V stabilizuje fazę β; Al stabilizuje fazę α, obniża ciężar właściwy, polepsza obrabialność

• kolejne właściwości nadaje operacja starzenia i obróbka plastyczna

• V jest cytotoksyczny i powoduje zaburzenia neurogenne, Al wpływa na rozmiękczanie kości, uszkadza kom. nerwowe, zaburza funkcje enzymów i neuroprzekaźników (→ schorzenia mózgu i naczyń)

• stop Ti-6Al-(3,5-9,5)Nb-(1-6)Ta (→V zastąpiono Nb-Ta), np. Ti-6Al-7Nb

• Nb, Ta i ich tlenki są chemicznie stabilniejsze, obojętne dla organizmu i mniej rozpuszczalne

• korzystniejsze właściwości

• łatwiejsza pasywacja + lepsza odporność na korozje

• korzystna biokompatybilność

• Al jest często zastępowany przez nietoksyczny Zr

• t. topn.: ???

• warstwa pasywna implantu:

• sterylizacja zwiększa grubość warstwy pasywnej, zwiększa też 4x stężenie Al w tej warstwie

• makrofagi mogą utleniać warstwę pasywną, mogą się wtedy uwalniać jony Ti

• uszkodzona warstwa pasywna ulega repasywacji, a wtedy wrasta w nią tkanka kostna

STOPY NA OSNOWIE METALI SZLACHETNYCH [Au, Pt, Pd, Ir, Ru, Rh]

• skład:

• Au i platynowce [Pt, Pd, Ir, Ru, Rh] (25-75%)

• śladowe: Cd (<0,2%), Be (<0,2%), Ni (<0,1%)

• cechy

• dobra lejność

• mały skurcz odlewniczy

• dobra odkształcalność plastyczna

• dobra biokompatybilność

• czyste złoto ma bardzo dobrą odporność na korozję ale niską twardość, dlatego stos. w stopach

• typy:

• 1 typ - mała wytrzymałość, przeznaczone na małe obciążenia (np. wkłady)

• 2 typ - średnia w., p. na umiarkowane o. (np. wkłady, nakłady)

• 3 typ - duża w., p. na duże o. (np. przęsła, korony, siodła, cienkie elementy licowane)

• 4 typ - b. duża w., p. na odlewy o małych przekrojach i dużych obciążeniach (np. siodła, łuki, klamry, korony teleskopowe, podbudowy koron złożonych, elementy protez częściowych)

• stopy na osnowie Au przy zawartości dodatków stopowych <10% są stopami miękkimi, powyżej - twardymi

• stopy na osnowie Pt mają podobne właściwości do stopów na osnowie Au

• stopy Pd-Ag są zastępczymi dla Au, bo są tańsze a mają podobne właściwości fizykochemiczne i biokompatybilność [Ag(15-30%)-Pd(<25%)-Au(<10%)-Cu(<5%)-Pt(<1%)]

• t. topn.: ???

[1I] Amalgamat

• skład:

• Ag (>40%) + Sn (<32) + Cu (<30) + In (<5) + Hg (<3) + Zn (<2) + Pd (<1) + Pt (<1)

• zanieczyszczenia łącznie: <0,1%

• ze względu na rtęć nie powinien być stosowany u dzieci, w ciąży, z chorymi nerkami i w styczności z uzupełnieniami metalowymi

• może być stosowany w wilgoci

• łączy się w sposób mechaniczny

• ???

[2Ś][1L] Stopy - temperatury topnienia

• średniotopliwe itp.

[2S][1M] Złoto kohezywne

• ???

[1O] Ceramika

• cechy:

• kruche, mała wytrzymałość na zginanie

• nieodkształcalne

• twarde, odporne na ścieranie i korozję

• nietoksyczne, niealergiczne → duża biokompatybilność

• przy odpowiedniej porowatości wrasta w nią tkanka

• typy: bioinertna (otacza się torebką włóknistą) > wrastające się do por (tk. kostna wrasta w pory = połączenie biologiczne) > bioaktywna (np. HA, połączenie chem. i biol.) > bioresorbowalna (zastępowana tk. kostną)

BIOCERAMIKA OBOJĘTNA (BIOINERTNA)

• głównie Al₂O₃ (biokorund)

• czystość >99,5% (zanieczyszczenia istotnie obniżają jego właściwości)

• ulega starzeniu i staje się kruchy

• ZrO₂, stabilizowany tlenkami Ce i Y

• twardszy, odporniejszy, również się starzeje

BIOCERAMIKA O KONTROLOWANEJ
REAKTYWNOŚCI W TKANKACH (BIOSZKŁO)

• skład:

• SiO₂ (45%) + Na₂O (24-25%) + CaO (23-24%) + P₂O₅ (1-10%), tworzące w reakcji z tkanką HA i żel krzemowy

• śladowe: ZnO, B₂O₃, F₂Ca, Al₂O₃, K₂O, MgO

• niewystarczająca wytrzymałość na zginanie powoduje jedynie stosowanie do powlekania implantów lub na endoprotezy do regeneracji kości

BIOCERAMIKA RESORBOWANA W TKANKACH (BIORESORBOWALNA)

• zawierają pierwiastki i związki biorące udział w metabolizmie, resorbują się i służą jako rusztowanie/wypełniacz dla rekonstruujących się tkanek

• np. bioceramika HA (ma największą biokompatybilność)

• obecność naturalnych polimerów (kolagen, polipeptydy solubilizowane, polimery biodegradujące - poli-L-laktyd (PLA), PLA oligomer, PE, żywice) ułatwia proces resorpcji, poprawia osteointegrację i regenerację kości

• warstwa HA jest też nanoszona na implanty metalowe (eliminując cementy kostne) tworząc trwałą więź z kością i wzmacniając połączenie kostne

• bioceramika zaw. fosforany wapnia o pH>7,4 wytrąca z płynów tkankowych HA, przez co staje się bioaktywna

• klasyfikacja ceramiki ze względu na:

• formę i zastosowanie

• rodzaj I (proszki), klasy 1-8: ćwieki korzeniowe, zębinowa, szkliwna, materiał na szyjki, mat. przezroczysty, barwniki, mat. dodatkowe, mat. do glazurowania

• rodzaj II (inne formy), klasy 1-2: na struktury nośne koron, licówek, wkładów i nakładów

• zastosowanie

• c. rdzeniowa - wytrzymała, na podstawę części licowej (np. korony)

• c. zębinowa - lekko przeświecalna i zabarwiona, nadaje ogólny kształt i kolor

• c. szkliwna - przeświecalna i lekko zabarwiona, do nakładania na ćwieki korzeniowe i c. zębinową

• c. łącząca nieprzeświecająca - produkt ceramiczny, który po zmieszaniu z wodą destylowaną lub czymś maskuje barwy metalu [opaker]

• t. topn.

• niskotopliwe 800-1050 °C

• średniotopliwe 1050-1200 °C

• wysokotopliwe 1200-1400 °C

• sposób wypalania

• w warunkach ciśnienia atmosferycznego

• w podciśnieniu (tzw. wypalanie próżniowe)

• rodzaj kryształów w strukturze

• z kryształami tlenku glinu (Hi-Ceram, Cerestore, In-Ceram, Procera)

• z kryształami miki (Dicor)

• z kryształami leucytu (Optec, Empress, Carrara)

• technologię wykonywania

• c. tradycyjna (Mirage, Duceram, Optec) - c. skaleniowa z kryształami leucytu, odporna na kruche pękanie

• c. lana (Dicor) - c. szklana; modelowanie w wosku, odlewane w 1350 °C, wygrzewane w 1075 °C

• c. tłoczona (Empress, Optec Pressable, Carrara) - c. szklana wzmocniona leucytem lub dwukrzemianem litu; modelowanie w wosku i wtłaczanie

• c. infiltrowana (Hi-Ceram, In-Ceram) - c. szklana wzmocniona Al₂O₃, MgO lub ZrO₂; rdzeń ceramiczny zastępuje część metalową korony i jest licowany odpowiednią ceramiką

• c. CAD/CAM (Procera All-Ceram, Cerec) - skanowanie modelu, analiza numeryczna, projektowanie komputerowe, frezowanie i wypalanie

[2Ź] Systemy ceramiczne

• ???

[] Leucyt

• K[AlSi₂O₆]

• ???

---