1.)Klasyfikacja biomateriałów Biomateriały – każda substancja inna niż lek albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkankom narządu albo jego części lub spełnienia ich funkcji Właściwości charakteryzujące biomateriały: -fizyczne(gęstość, lepkość, przewodność cieplna i elektryczna); -mechaniczne (wytrzymałość, sprężystość, odporność zmęczeniowa);

-technologiczne (obrabialność, kształtowanie powierzchni); -odporność korozyjna; -biologiczne (biozgodność, biotolerancja);

-finansowe (możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania). 2.)Biomateriały metaliczne, rodzaje, charakterystyka, właściwości

Implanty: wiązania zespolenia, szynowanie, endoprotezy stawów, steny, aparat dociskowy. Stal i stopy przeznaczone na implanty: stal austenityczna-kwasoodporna, nierdzewna; -stopy na osnowie kobaltu; -tytan i jego stopy; -stopy z pamięcią kształtu; -stal przeznaczona na narzędzia medyczne. Metale i stopy przeznaczone na implanty powinny wykazywać:

-db odpornośc na korozje; -odpowiednie własności mechaniczne; -db 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.

Analizowane własności mechaniczne materiałów tkankowych: wytrzymałość, twardość, sprężystość, wiązkowość, kruchość.

Austenityczne stale kwasoodporne stanowią grupę tworzyw, które zostały przystosowane do implantowania w organizmie ludzkim. Stale przeznaczone na implanty mają ściśle ustalone skł. Chem, które zapewniają im paramagnetyczną strukturę. W celu uzyskania dobrej odporności na korozję wżerową w środowisku tkanek i płynów ustrojowych wprowadzono warunek odnoszący się do stężenia chromu i molibdenu 3,3% mas Mo+%mas Cr>26. Ze stali tych wytwarza się igły śródszpilkowe, płytki kostne, śruby i nakrętki, groty, druty kostne, rzadziej endoprotezy.

Stal na narzędzia i przyrządy medyczne: martenzytyczna, ferrytyczna i austeniczna. Do głównych pierwiastków stopowych w stalach austenitycznych należą: Cr, Ni, Mo. W tych stalach występuje podwyższone stężenie Ci, Mo, czasami niobu. Chrom jest pierwiastkiem zmieniającym potencjał elektrochemiczny stali z ok. -0.6 do ok. 0.2V. zmiana ta nie zachodzi stopniowo ze wzrostem stężenia chromu lecz skokowo przy ok. 13% Cr. Tytan i jego stopy -zajmuje 9 m-ce pod względem obfitości występowania w przyrodzie. W stanie naturalnym najczęściej spotykany jest jako dwutlenek tytanu-minerał miękki, ale wytrzymały. -stop tytanu został utworzony po to, aby otrzymać tworzywo biozgodne o zwiększonej wytrzymałości.

-wyizolowany czysty tytan, zalecany do implantów dentystycznych ma skład: 99,75% Ti, 0,05% Fe, 0,1% O2, 0,03%N, 0,05%C, 0,012H2. -czysty tytan, jaki jego stop wykazują b. wysoką odporność na korozję. -ze stopów tytanu w gł. Mierze produkowane są endoprotezy stawowe. Wielu producentów wytwarza z nich elementy do odłamów kostnych. Stosuje się w protetyce stomatologicznej, kardiochirurgii i kardiologii zabiegowej. Tytan i jego stopy (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Ni)

-mniejszy ciężar niż stopy Fe lub Co, b. wysoka wytrzymałość Zastosowanie: endoprotezy stawowe, elementy do zespalania odłamów kości, protetyka stomatologiczna, kardiochirurgia Stopy na osnowie kobaltu -stanowią kolejną po stopach austenitycznych grupę tworzyw metalicznych przystosowanych na wyroby dla chirurgii rekonstrukcyjnej; -posiadają większą biotolerancję w środowisku tkanek oraz większą odporność na korozję wżerową i szczelinową niż Cr-Ni-Mo; -są nietoksyczne;

-dZielą się na odlewnicze i przerabiane; -stosuje się je głównie na endoprotezy stawowe. Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo+Fe,Ni, W) Bardzo wysoka odporność na korozję, własności mechaniczne zależne od domieszki Zastosowanie: endoprotezy stawowe, płytki, wkręty, groty, druty.

Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) Zastosowanie: ortodoncja, stabilizator do leczenia skolioz, tulejki dystansowe kręgosłupa, implanty krótkotrwałe Wady: nie zawsze dokładne odwzorowanie pierwotnego kształtu, problemy z biotolerancją (nikiel). W latach 70 rozpoczęto badania nad zastosowaniem na implanty stopów z pamięcią kształtu. Własności są związane z odwrotną przemianą martenzytyczną, np. stop NiTi-nitinol (stężenie do 57% masowo niklu). Zjawisko pamięci kształtu w stopach może być związane z jednokierunkowym efektem pamięci, pseudosprężystoscią lub też dwukierunkowym efektem pamięci. Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu może być związany z dwoma stanami wyjściowymi. W dwukierunkowym efekcie pamięci kształtu stop pamięta zarówno kształt fazy macierzystej i martenzytycznej. Aluminium i stopy -niewielki ciężar, łatwość formowania, obróbki, niski koszt wytworzenia Zastosowanie: konstrukcja protez

Protezą implantową nazywamy przyrząd, który fizycznie zastępuje organ lub tkankę. W odróżnieniu bioproteza stanowi implantowaną protezę wykonaną w całości lub częściowo z tkanek dawcy. Nazwy implantów nawiązują do dziedziny medycznego zastosowania lub konkretnego umiejscowienia. Do tych określeń można zaliczyć: implant ortopedyczny, ustny, czaszkowo-twarzowy, dentystyczny. Implanty można podzielić na krótkotrwałe, takie których czas przebywania w organizmie nie powinien przekraczać 2 lat i długotrwałe przewidziane do kilkunastoletniego użytkowania. Implanty to substancje różne od leków, które są kombinacją substancji naturalnych lub syntetycznych. Mogą być użyte jako część lub całość systemu zastępczego tkanki lub organ albo pełniącego jego funkcje. Cechują się wymaganą biotolerancją czyli zgodnością biologiczną i hamowania interreakcji z żywą materią(biotolerancja powoduje, że po wprowadzeniu do organizmu nie wywołują one ostrych lub chronicznych reakcji albo stanu zapalnego otaczających taknek). Mat. Met. Wymagania: -wysoka odporność na korozję;

-db jakość metalurgiczna i jednorodność; -zgodność tkankowa (nietoksyczność); -odporność na zużycie ścierne;

-brak tendencji do tworzenia zakrzepów; -odpowiednie własności elektryczne; -odpowiednie własności wytrzymałościowe.

3.)Charakterystyka polimerów. Klasyfikacja tworzyw polimerowych. Polimer- grupa materiałów, których gł. Skł. Jest zw. wielkocząsteczkowy. Oprócz niego materiały zawierają skł. Dodatkowe nadające im właściwości użytkowe i technologiczne.

Tworzywo polimerowe(wielkocząsteczkowe, sztuczne)-polimer ze składnikami dodatk. Zastosowanie tworzyw polimerowych: -materiały konstrukcyjne; -m. elektroizolacyjne; -m. termoizolacyjne; -m. uszczelniające; -m. wibroizolacyjne; -m. malarskie. Polimer- zw. chem. Wlkcząsteczkowy składający się z powtarzających się jednakowych lub różnych jednostek konstytucyjnych zwanych merami, pochodzących z cząstek monomerów i digomerów. Podział tworzyw polimerowych: ze względu na wł. mech -Plastomery (Et-moduł sprężystości przy rozciąganiu >1000MPa, Eb-wydłużenie przy rozciaganiu ~1%-tw. Kruche, 100-300% - tw. Sprężyste) -Elastomery (Et 1-4MPa, Eb-kilkaset %) właściwości cieplno-przetwórcze -termoplastyczne (PE,PP,PS)-po zestaleniu można je ponownie stopić, można przetwarzać je wielokrotnie -utwardzalne-po usieciowaniu nie można ich stopić ponownie(termoutwardzalne-PF-usieciowane pod wpływem wysokiej temp., chemoutwardzalne, np. EP-usieciowane pod wpływem czynnika chemicznego, fotoplimery-usieciowane pod wpływem światła, np. UV) Zalety tworzyw polimerowych: -mała gęstość (0,9-2.2 g/cm3); -db wytrzymałość, duża odkształcalność, db przewodność cieplna i elektr (db wł. izolacyjne); -małe zużycie energii do produkcji; -łatwość pozyskiwania założonych wł. (na etapie projektowania materiału); -efektywne przetwórstwo, dają się dobrze obrabiać, kształtować obróbką plastyczną, spawać, zgrzewać. Polimery naturalne-wystepujące w środowisku przyrodniczym, np. kauczuk naturalny, celuloza, kazeina P. sztuczne-otrzymywane przez modyfikację p. naturalnych, np. octan celulozy, galit

P.syntetyczne - otrzymywane ze związków chem. O małych cząsteczkach(monomerów), np. polietylen, polipropylen

Klasyfikacja polimerów: wg struktury budowy chem. (p. z łańcuchem węglowym, p. z heteroatomem w łańcuchu głównym, p. heterocykliczne zawierające pierścień z heteroatomem, p. o nieweglowym łańcuchu głównym, p. nieorganiczne)\ wg struktury nadcząsteczkowej (p. krystaliczne lub częściowo krystaliczne, p. bezpostaciowe-amorficzne) wg wł. mechanicznych (elastomery, plastomery) wg wł. cieplno-przetwórczych (tw. Termoplastyczne-termoplasty, amorficzne, częściowo krystaliczne, tw. Utwardzalne-duroplasty )tw. Termoutwardzalne, chemoutwardzalne))

4.)Rodzaje i właściwości materiałów polimerowych stosowanych jako biomateriały.

Właściwości polimerów sprawiają, że stosuje je się obecnie w każdej dziedzinie życia i coraz częściej zastępują materiały naturalne, tj. skórę, metal, drewno, szkło. Łatwo je wytworzyć, a koszt produkcji często jest dużo niższy niż w przypadku materiałów naturalnych. Dodanie substancji w procesie wytwarzania umożliwia uzyskanie tworzyw sztucznych, o właściwościach potrzebnych do danego produktu. Do najważniejszych tworzyw termoplastycznych zaliczamy:

Polistyren-produkt polimeryzacji styrenu, bezbarwne, przezroczyste ciało stałe, kruche, odporne na działanie kwasów(z wyj. HNO3), zasad alkoholi, olejów, ma db właściwości dieelektryczne, małą odporność cieplną, jest palny. Stosowany do wyrobu materiałów elektroizolacyjnych, części samochodów, rowerów, lodówek, naczyń, pojemników, zabawek, galanterii. Z PS można otrzymać styropian. Poliamidy- w znacznym stopniu krystaliczne, bezbarwne lub kremowe, dają się łatwo barwić, są trudno ścieralne, wytrzymałe mechanicznie, są termoplastami, mają wysoką temp. Topnienia (180-270). Nie są odporne na działania kwasów i stężonych zasad. Z poliamidów produkuje się koła zębate, łożyska, części maszyn, rury ciśnieniowe do cieczy, folie opakowaniowe, żyłki wędkarskie, sztuczne ścięgna, włókna itp.

Polichlorek winylu- produkt polimeryzacji chlorku winylu. Czysty PCV jest twardy, niepalny, odporny na działanie rozcieńczonych kwasów i zasad, alkoholi, benzyny, rozpuszcza się w wielu rozpuszczalnikach organicznych, ma właściwości dieelektryczne, małą odporność cieplną, ulega rozkładowi pod wpływem ciepła i światła. Znajduje zastosowanie w produkcji rur, armatury sanitarnej. Elem. Budowlanych, przyborów kreślarskich, opakowań, uszczelek, wykładzin podłogowych i tapicerskich, powłok dekoracyjnych, folii ubraniowych i galanteryjnych, sztucznej skóry, cewników, drenów. Wyroby z czystego PVC bez dodatków plastyfikatorów w temp. Pokojowej są twarde, sztywne, a przy obniżeniu temp. Kruche.

Polimetakrylan metylu-doskonale półprzeźroczyste tworzywo, łatwo daje się kształtować, polerować i obrabiać mechanicznie, wytwarzany w postaci płyt, bloków, prętów i rur, stosowany na szyby lotnicze i samochodowe, soczewki, reflektory, artykuły gospodarstwa domowego, elementy maszyn biurowych i instrumentów muzycznych, El. Dekoracyjne itp. Otrzymywanie: przez polimeryzację monomeru metodą blokową, perełkową, emulsyjną i w roztworze. Największe ilości tego tworzywa są wytwarzane pierwszą metodą w postaci płyt. Rury z polimetakrylanu metylu produkuje się najczęściej przez polimeryzację w momencie formowanie. Przez polimeryzację perełkową monomeru otrzymuje się granulki, które przerabia się na gotowe wyroby metodą wtryskiwania i wytłaczania. PMMA jest jednym z nielicznych polimerów, które ulegają wcześniej procesowi depolimeryzacji niż rozkładu termicznego. Umożliwia to ponowne otrzymywanie monomeru z tego tworzywa przez ogrzewanie w temperaturze ok. 360 C. Proces ten należy przeprowadzać bardzo ostrożnie, ponieważ temp. Zapłonu monomeru jest niewiele wyższa od temp. Depolimeryzacji. W wyniku depolimeryzacji otrzymuje się lekko mętną, żółtawą ciecz, która po dwukrotnej destylacji staje się klarowna i przezroczysta. Uzyskany w ten sposób monomer można wykorzystać do ponownego przerobu na wyroby gotowe.

Tworzywo jest znane przede wszystkim z bdb przepuszczalności światła widzialnego wynoszącej 90-92%, przepuszczalności promieni ultrafioletowych wynosi ok. 70% w porównaniu z ok. 5% dla szkła zwykłego. Z tego powodu nazywany jest szkłem organicznym. Nazwa ta jest całkowicie uzasadniona, ponieważ w porównaniu do szkła krzemianowego PMMA jest lżejszy i odporniejszy na stłuczenia oraz odznacza się większą plastycznością. Wykazuje jednak mniejszą odporność na zarysowania. PMMA nie ma zapachu i smaku, nietoksyczny, odporny na działanie niskich temp. I praktycznie nie chłonącym wody. Mała udarność z karbem i wydłużenie przy zerwaniu. Korzystna cechą jest stała wartość udarności z karbem, jak i bez od -20 do 60 C. Polimetakrylan metylu jest odporny na działanie rozcieńczonych kwasów i stężonych alkaliów w temp. Pokojowej, kwasów nieorg. O stężeniu do 20%, olejów mineralnych, olejów roślinnych i zwierzęcych. Wykazuje brak odporności na działanie estrów, eterów, ketonów, węglowodorów aromatycznych i chlorowanych, stężonych alkoholi i kwasów organicznych. Rozpuszcza się w acetonie, toluenie, dwuchloroetanie, chloroformie i octanie etylu. Formowanie wyrobów z PMMA prowadzi się metodą wtryskiwania, kształtowania próżniowego lub ciśnieniowego oraz w mniejszym stopniu przez polimeryzację blokową lub wytłaczanie. Ze względu na właściwości i przeznaczane granulaty PMMA dzieli się je na 3 grupy: miękkie, półtwarde, twarde. Inną metodą formowania wyrobów z PMMA jest polimeryzacja blokowa monomeru bezpośrednio w formie. Czas polimeryzacji jest b. długi w celu zapobiegania powstawania pęcherzy. Proces prowadzi się w stosunkowo niskiej temp 30-40C. metodę te stosuje się do otrzymywania poj. Wyrobów, zwłaszcza o skomplikowanych kształtach.

5.)Materiały ceramiczne, żywice i cementy kostne Wymagania stawiane klejom: -duża wytrzymałość na wpływy wewnątrz ustrojowe; -brak toksycznego wpływu na otaczające tkanki; -duża przylepność do tkanki kostnej; -porowatość dla zachowania wzrostu nowych komórek kostnych Zastosowanie: leczenie świeżych i zastarzałych złamań, usztywnianie stawów, zespalanie operacyjne przeciętych kości. Żywice epoksydowe – I próba Golowin (ZSRR) 1956 Osteoplast = żywica epoksydowa + mąka kostna + proszek fibrynowy Plusy: brak infekcji, db biotolerancja Minusy: trudności z rozkładaniem się w org., nowa tkanka nie przerasta żywicy Żywice metakrylowe – I próba Hulliger 1962 Palacos - szybko twardniejące tworzywo termoplastyczne Plusy: brak infekcji, db spójność z tk. Kostną Minusy: przy mieszaniu składników reakcja egzoterm 96C w celu obniżenia było konieczne skrapianie zimnym roztworem soli fizjologicznej Cementy akrylowe – obecnie stosowane dwuskł. Polimer (proszek)+monomer (skł. Ciekły) Plusy: db własności mech, db spójność z tk. Kostną, db biotolerancja Minusy: zła r-cja tk. Na ciepło uwalniane w trakcie polimeryzacji, zatrucie org. Monomerem, nagłe obniżenie ciś. Tętniczego krwi podczas wstrzykiwania cementu. Po zszyciu ścięgna powstają czasem powikłania w postaci zrostu z tk. Otaczającymi. Celem zapobiegnięcia stosuje się płytki przeciwzrostowe: celofanowe, akrylowe, teflonowe, z włókien poliestrowych Materiały ceramiczne: resorbowane w organizmie, obojętne, z kontrolowana reaktywnością w organizmie

Plusy: wysoka porowatość (łatwe wzrastanie tkanek), gęstość i współ. Jak dla kości, odporne na ściskanie, odporne na korozję

Minus: kruchość Ortofosforany wapnia, hydroksyapatatyty- dzięki zawartości pierwiastków przechodzących do struktury tk. Służą jako rusztowanie lub wypełniacz rekonstrującej się tkanki kostnej Plusy: brak konieczności stosowania operacji usuwania materiału zespalającego po uzyskaniu zrostu kostnego, niewielkie koszty wytworzenia Minusy: w procesie resorpcji zmienia się składnik chem. Ceramiki, co wiąże się z obniżeniem jej wytrzymałości Bioszkła i materiały bioszklano-ceramiczne – ich rozkład chem. I fazowy jest tak projektowany, aby powierzchnia implantów reagując ze środowiskiem tkankowym wytworzyła reakcje w wyniku, których powstaną połączenie substancji org z nieorg. Tlenek glinu AL203, węgle pizolityczne- zastosowanie: elementy protez, ortodoncja Plusy: wykazują minimalne zmiany chemiczne w kontakcie z tkankami i roztworami fizjologicznymi, wysoka biotolerancja, wysoka Kompozyty na osnowie ceramicznej ze zbrojeniami metalicznymi, np. bioglass - dzięki połączeniu własności różnych materiałów uzyskuje się polepszenia: wytrzymałości biotolerancji, niezawodność połączenia z kością