Biomateriały – akceptowane przez organizm ludzki, niektóre łączą się z żywą tkanką lub biorą udział w jej regeneracji, zastępują utracone narządy (wszczepianie do organizmu); to każda substancja (inna niż lek) albo kombinacja substancji pochodzenia syntetycznego lub naturalnego, która może być użyta w dowolnym czasie w całości lub części celem leczenia, powiększenia lub zastąpienia tkanek narządu, organu lub funkcji ustroju; to również materiały przeznaczone do długotrwałego kontaktu z organizmem.

Grupy materiałów:

-Metale i ich stopy ( stale, tytan, stopy)

-Polimery, sztuczne i biopolimery (resobowalne, trwałe, hydrożele)

-Ceramika (spiekane tlenki, HAp, bioszkło)

-Węgiel (pokrycia, włókna, węgiel aktywny)

-Kompozyty

Klasyfikacja biomateriałów (ze względu na ich zachowanie w organizmie):

-obojętne (prawie obojętne) – niewywołujące żadnej lub prawie żadnej reakcji otaczającej tkanki (metale i ceramiki)

-aktywne- dobrze wiążą się z otaczającą tkanką i stymulują rozwój nowego, zregenerowanego organu (ceramiki i metale)

- ulegające rozkładowi w środowisku organizmu ludzkiego- po określonym czasie działania materiały rozpuszczają się w otaczającej tkance i zostają przez nią wchłonięte, nie powodując jej uszkodzenia lub zmian patologicznych (odpowiednie grupy polimerów)

Podział ze względu na :

- rodzaj tkanek do jakich są przeznaczone ( kość, chrząstka)

- dziedzina medycyny ( implanty dla okulistyki, laryngologii, stomatologii, chirurgii kostnej, kardiochirurgii

-czas kontaktu z tkankami (czasowe – do dwóch lat, permamentne)

Kliniczny podział biomateriałów :

-implanty mechaniczne – endoprotezy stawów, płytki, śruby, gwoździe, stabilizatory dla osteosynezy kości

-materiały do zespalania tkanek – nici chirurgiczne , cementy i kleje tkankowe

- implanty przeznaczone do kontaktu z krwią – stenty, zastawki serca, sztuczne naczynia krwionośne,

-materiały do leczenie ubytków tkanek – implanty w formie gąbek lub włókien, przeznaczone do wypełniania ubytków

- nośniki leków , materiały do enkapsulacji komórek – ceramiczne lub polimerowe kształtki zawierające lek umieszczane w chorej tkance pozwalające na miejscowe dostarczanie leku do tkanki,

- podłoża dla inżynierii tkankowej i terapii genowej, materiały dla medycyny regeneracyjnej – trójwymiarowe podłoża, zaopatrzone w bioaktywne czynniki, zasiedlane przez komórki

Materiał	Zalety	Wady	Przykłady
Metale	Trwałość, wytrzymałość	Może ulegać korozji, wysoka gęstość, trudny w obróbce	Elementy stawów, korzenie zębowe, płytki i gwoździe zespalające
Polimery	Elastyczność, łatwość w formowaniu	Ulega deformacji w czasie , może ulegać degradacji	Nici chirurgiczne, naczynia krwionośne, panewka stawu biodrowego,
Ceramika	Wysoce biozgodna	Krucha, nieodkształcalna , nieodporna na rozciąganie	Implanty stomatologiczne, ortopedyczne
Kompozyty	Możliwość sterowania właściwościami i trwałość	Trudne w wytworzeniu	Elementy sztucznych stawów, płytki i gwoździe zespalające

Ewolucja biomateriałów :

1. Biomateriały pierwszej generacji

Cel : bioobojętność – materiały dobierane były przypadkowo, sukcesy przypadkowe , rodzaje : drewno, złoto, stal, kość słoniowa, sztuczne naczynia wykonywane z nylonu

1. Biomateriały drugiej generacji

Cel : bioaktywność – zaawansowane materiały zapożyczone z innych dziedzin, powstają dzięki współpracy inżynierów, rodzaje: stopy tytanu, kobalt , chrom, molibden, polietylen wysokocząsteczkowy, bioceramika, zastosowanie: sztuczny staw biodrowy, rozrusznik serca

1. Biomateriały trzeciej generacji

Cel: bioaktywność i regeneracja tkanek – biomateriały projektowane w celu wywoływania określonej reakcji komórkowej, bioinżynieria powierzchni, biomimetyczna mikrostruktura, przykłady – sztuczna skóra, resorbowalny, cement kostny, stomatologia ( leczenie ubytków chrząstki i kości), szkielet powinien spełniać następujące warunki (biokompatybilność, powinien tworzyć stabilną, porowatą 3d strukturę, nie powinien rozpuszczać się w wodzie, powinien się stopniowo biodegradować.

Materiały biomimetyczne

Biomimetyka – dział nauki zajmujący się naśladowaniem zachowania i funkcjonowania natury, jej celem jest konstruowanie lepszych materiałów przez użycie rozwiązań opracowywanych przez naturę przez miliony lat.

Adaptacja – stopniowe przystosowywanie się organizmy, na różnym poziomie struktury i funkcji do zmian w otoczeniu

Bioaktywność – wywoływanie odpowiedzi lub reakcji w żywej tkance, zdolność powierzchni implanty lub powłoki na implancie do przylegania bezpośrednio do tkanki miękkiej lub twardej, bez tworzenia warstwy pośredniej zbudowanej ze zmodyfikowanej tkanki

Materiał bioaktywny - to materiał przeznaczony do wywoływania lub modulowania ( regulowania) biologicznej aktywności .

Biomateriał może być bioaktywny

Biomateriał obojętny – materiał, który wywołuje małą reakcję lub nie wywołuje żadnej reakcji w ludzkim organizmie

Biodegradacja – rozkład materiału w wyniku działania środowiska biologicznego lub stopniowy rozkład materiału w wyniku specyficznej aktywności systemu biologicznego

Bioresorbowalność – zdolność biomateriału do rozkładu drogą aktywności komórkowej i w konsekwencji do częściowego lub całkowitego zaniku ( bo bioresorpcja to pobieranie i wchłanianie ze środowiska przez komórki substancji chemicznych)

Biomateriał może być biodegradowalny lub bioresorbowalny.

Biozgodność – zdolność materiału do spełnienia zadania, z akceptowalną odpowiedzią gospodarza, zgodnie z określonym zastosowaniem , spełnienie funkcji biologicznych w określonym zastosowaniu, w sposób zgodny z przeznaczeniem

Biomateriał jest biozgodny jeżeli nie wywołuje w tkankach działania:

- drażniącego

- immunologicznego

-alergicznego

-Kancerogennego

Charakter odpowiedzi środowiska biologicznego decyduje o biozgodności materiału

Biomateriał musi być biozgodny.

Co wpływa na biozgodność materiału ?

Skład materiału, mikro lub nano – struktura , morfologia, krystaliczność, stała sprężystość , skład chemiczny powierzchni, topografia powierzchni, korozja, uwalniane jony, toksyczność jonów metali, charakterystyka adsorpcji białtek, efekty cytotoksyczne, zmiany naczyniowe, właściwa odpowiedź tkankowa, aktywacja układu dopełniacza

Biofunkcyjność – zdolność materiału do przejmowania funkcji tkanek i narządów do leczenia których został zastosowany

Cytotoksyczność – zabijanie komórek przez komórki, przeciwciała i dopełniacz lub inne czynniki; cytotoksyczny : mający szkodliwy wpływ na komórki

Czynniki kancerogenne – przeważnie nie wywołują bezpośrednio zmian nowotworowych, lecz indukują powstanie endogennych czynników pośrednich ,które mogą uszkadzać kwas dezoksyrybonukleinowy i wywoływać mutacje

Fagocytoza- proces wchłaniania większych cząsteczek przez komórkę, zaczyna się przyłączaniem fagocytowanej cząsteczki do powierzchni komórki, następnie tworzony jest fagosom, który łącząć się wewnątrz komórki z lizosomem tworzy fagolizosom, gdzie cząsteczka ulega strawieniu

Hemoliza – uwalnianie hemoglobiny, spowodowane uszkadzeniem czerwonych komórek krwi,

Implant ( wszczep) – urządzenie wprowadzone do człowieka lub zwierzęcia drogą implantacji, wykonane z jednego lub więcej biomateriałów,

Implantacja – umieszczenie urządzenia lub materiału w organizmie zwierzęcia lub człowieka, zgodnie z zasadami medycznego lub chirurgicznego postępowania w taki sposób, że następuje przerwanie jednego lub więcej warstw nabłonkowych , a urządzenie materiał lub jego składniki pozostają w miejscu po zakończeniu całej procedury operacyjnej

Implant międzyoperacyjny – urządzenie usuwane z organizmu w ciągu od kilku godzin do kilku dni

Implant przezskórny – urządzenie, która po umieszczeniu w organizmie przechodzi przez skórę i jednocześnie ma kontakt z otoczeniem zewnętrznym

Implant przezśluzówkowy – urządzenie, które po umieszczeniu w organizmie ma kontakt ze śluzówką

Integracja – oddziaływanie dotyczące ograniczonej liczny materiałów takich jak bioaktywne szkła o określonym składzie ,

Inżynieria biomateriałów – zastosowanie zasad i praw nauki w biomateriałach do rozwiązywania praktycznych problemów związanych ze zdrowiem człowieka, niepełnosprawnością i chorobą

Inżynieria tkankowa – wytwarzania komórek i tkanek poza żywym organizmem za pomocą metod i technik inżynierii , w celu wykorzystania ich jako składników zdolnych do życia biomateriałów

Kościotwórczy (osteogeniczny ) – właściwość biomateriału, która stymuluje wzrost kości w miejscu, w którym znaduje się implant

Narastanie – tworzenie tkanki bezpośrednio na powierzchni implantu ( wrastanie)

Osteosynteza , osteointegracja – stabilizacja kliniczna implantu zakotwiczonego w kości ,

Proteza – urządzenie, które zastępuje kończynę , narząd lub tkankę ciała( protezy zewnętrzne to ortezy )

Resorpcja – wchłanianie, materiał resorbowalny to biomateriał charakteryzujący się zdolnością do zanikania w środowisku biologicznym drogą rozpuszczania się lub trawienia

Wyrób medyczny – instrument , aparat, przyrząd , narzędzie , maszyna, wynalazek, reagent in vitro, lub inny jakikolwiek składnik, element, część lub zestaw przeznaczony do użycia w diagnostyce choroby, leczeniu , opiece medycznej, łagodzeniu, zapobieganiu choroby u ludzi.

Tkanki – naturalne kompozyty

Warunki pracy :

-agresywne środowisko pracy

-zmienny stopień naprężeń

-ilość cykli obciążenia/rok

3x106 połykanie

0,5-4x106 akcja serca

2x106 chód

-pH 1,0 układ trawienia, 6,8 wnętrze komórki, 7,0 płyny międzykomórkowe, 7,15-7,3 krew

-temperatura (20- w stanach chorobowych)

Szkielet człowieka – to zintegrowany układ kości , chrząstek, stawów, wiązadeł.

Liczba kości ustroju ludzkiego zależy od wieku:

- noworodek ok.270

- dziecko 14-letnie ok.350

- wiek późniejszy 206

Funkcje kości :

-ochrona narządów głębiej leżacych

-bierny narząd ruchu

-jako magazyn jonów wapniowych i fosforanowyh w ustroju

-pośrednio krwiotwórcza(szpik kostny)

Budowa kości:

Substancja międzykomórkowa:

-organiczna

-nieorganiczna (krucha)

Komórki kostne:

-osteocty

-osteoblasty

-osteoklasty

Kości – naturalny materiał kompozytowy

-zróżnicowane fazy stałe i ciekłe

-ukierunkowana budowa pozwala na uzyskanie wysokiej wytrzymałości w pożądanym kierunku

-nieliniowe własności lepkosprężyste

Podstawowe własności mechaniczne kości to:

- moduł Younga E

- współczynnik Poissona v

- moduł Kirchoff G

- wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie

Przekroczenie obciążenia fizjologicznego powoduje nadmierną stymulacje osteoblastów w efekcie tworzona jest tkanka kostna, nowo tworzona tkanka kostna przywraca fizjologiczny poziom naprężeń w kości.

Zmniejszenie przepływu cieczy w strukturach kostnych, w skutek poddawaniu jej obciążenią niższym od fizjologicznych powoduje redukcje transportu substancji odżywczych oraz metabolitów. Prowadzi to do zmniejszenia aktywności życiowej komórek kostnych, czasami nawet do obumierania.

Kość ma również zdolność adaptacyjna – potrafi dostosować swój kształt i wielkość do obciążeń i warunkow.

Przykład żuchwa ludzka – w żuchwie i szczęce dominuje tzw. Tkanka zwinięta, prymitywna formą tkanki kostne:

-bardzo podatna na obciążenia

-łatwo podlega przebudowie

Na stan wyrostków zębodołowych wpływa np.:

-powstawanie płytki nazębnej

-niedociążenie mechaniczne, przeciążenie mechaniczne

-zła higiena jamy ustnej, przewlekłe stany zapalne

-obecność protezy

-niedokładne bądź nieprawidłowe wykonanie protezy

-niewłaściwe użytkowanie protez

-całodobowe użytkowanie

Bezzębni pacjenci w podeszłym wieku z zaawansowaną redukcja kości wyrostków zębodołowych szczęk i destrukcją podłoża protetycznego, w takich przypadkach niekiedy konieczne jest przeprowadzenie zabiegu (poprzedzających implementację, zmierzających do odtworzenia utraconej struktury kostnej tej części czaszki jak np. osteogeneza dystrakcyjna)

Bodowa zęba:

Szkliwo:

-zewnętrzna warstwa

-narażona na zużycie tribologiczne

-96-98% z materii nieorganicznej

-najtwardszą tkanką organizmu ludzkiego

-twardość mierzona metodą nanoindentacji: 3,4 do 7 GPa

-E od 66 do 105 GPa

-wytrzymałość na ściskanie od 95 do 400 MPa

Zębina(pod szkliwem lub też pod cementem w szyjce i korzeniu)

Główne zadanie: ochrona miazgi zęba przed wpływem szkodliwych czynników zewnętrznych

Wrażliwa – reaguje bólem na bodźce takie jak np. zmiana temp.

Składa się z:

-nanokrystalicznej, hydroksyapatytowej fazy mineralnej (ok. 70% objętości)

-włókien kolagenu (ok.30% objętości)

-10% stanowi woda

Właściwości zębiny(w skali makro określa się właściwości zębiny, które pozwalają opisać odpowiedź zęba na zadane obciążenie E, wytrzymałość na ściskanie, twardość)

- E od 6 do 29 GPa

- większa sztywność próbek w kierunku prostopadłym do osi kanalików

- wytrzymałość na rozciąganie zębiny od 90 do 105 MPa

- wytrzymałość na ściskanie od 275 do 300 MPa

- wytrzymałość na ścinanie zębiny od 69 do 147 MPa

Miazga:

Szkliwo, cement i zębina otaczają miazgę, która znajduje się w jamie zęba. Miazga jest bogato unerwiona i unaczyniona. Wraz z zębiną stanowi jedność strukturalno-funkcjonalna, czyli endodontium, którego zadaniem są: odżywianie zęba, funkcja czuciowa, tworzenie zębiny oraz funkcje obronne.

Ozębna:

W przestrzeni ozębnej (więzadło przyzębne) o szerokości od 0,15 do , znajdują się włókna tkanki łącznej ułożone w pęczki umocowane z jednej strony w cemencie, z drugiej w kości zębodołu. Tworzą one więzadło, na którym ząb jest zawieszony w zębodole. Przebiegają promieniście w stosunku do długiej osi zęba, lecz w strefie szyjki przebiegają bardziej poziomo, krzyżując się z siatka naczyń krwionośnych oplatających korzeń zęba. Naczynia krwionośne w sensie mechanicznym pełnią w aparacie zawieszeniowy zęba rolę amortyzatora hydraulicznego.

Ucisk wywierany na ząb napina włókna ozębnej a napięte wiązadełka zaciskają się jednocześnie na naczyniach krwionośnych, utrudniając swobodny przepływ krwi a tym samym usztywniają ząb w zębodole

Siły działające na długiej osi zęba: równoległe (napinają włókna ukośne) prostopadłe lub ukośne (napina część włókien przebiegających poprzecznie natomiast w pozostałych częściach zostaje ściśnięte).

Biomateriały metaliczne:

Obszary zastosowania :

Chirurgia kostna :

- fiksacja(śruby, płytki, gwoździe, klamry)

- chirurgia twarzowo szczękowa

- endoprotezy stawów

Kardiologia:

- stenty

- zastawki serca

Stomatologia:

- implanty

- mosty

- korony

Biomateriał metaliczny powinien charakteryzować się :

- dobrą odpornością na korozje

- odpowiednimi własnościami mechanicznymi

- dobra jakością metalurgiczna i jednorodnością

- zgodność tkankowa

- odporność na ścierne zużycie

- brak tendencjo do tworzenia zakrzepów

- odpowiednie własności elektryczne

- możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania

Biomateriały metaliczne :

1.Stopy Fe:

- stale na instrumentarium chirurgiczne

- stal chromowo-niklowa

2.Stopy Co:

- spiekane

- do przeróbki plastycznej

- odlewnicze

3.Stopy z pamięcią kształtu

4.Ti i jego stopy:

- Ti techniczny

- Stopy

- Ti-Al.-V

- Bezwanadowe

- Ti-Al.-Fe

- Ti-Al-Nb

- Ti-Al.-Fe-Ta

5.Metale szlachetne i ich stopy

Skład chemiczny i fazowy biomateriałów metalicznych:

Skład ustalony na podstawie biotolerancji:

- struktura austenityczna

- struktura paramagnetyczna

- jednorodna pod względem rozkładu pierwiastków oraz ewentualnych wydzieleń

- organiczny poziom wtrąceń niemetalicznych

Stopy ponadto powinny charakteryzować się:

- dobrą odpornością na korozje w środowisku tkanek i płynów ustrojowych

- wymaganym dla przenoszenia obciążeń zespołem własności mechanicznych

Biopierwiastki – stężenie w środowisku wewnętrznym i zewnętrznym komórek organizmu wyraża się niekiedy zaledwie w milionowych częściach grama, ale stwierdzono że nawet tak niewielka ich ilość jest potrzebna.

Rola biopierwiastków:

- działanie pobudzające lub hamujące czynność białek enzymatycznych decydujących o procesach życiowych

- zbyt małe stężenie wywołuje – niedobór

- zbyt duże stężenie – zatrucie

Obecność materiału implantowanego powoduje uwalnianie jonów do organizmu. Korozja czy zużycie ścierne mogą być źródłem biopierwiastków i przyczyna do rozwoju niekorzystnych reakcji.

Wpływ pierwiastków metalicznych na organizm:

Żelazo w hemoglobinie – decyduje o jej aktywności do przenoszenia tlenu z płuc do całego organizmu. Niedobór : anemia , zaburzenia odporności. Nadmiar: utrudnia dyfuzje enzymów przez błony komórkowe, może niszczyć lizosomy, prowadzi do powstania wolnych rodników ( przyczyna miażdżycy , marskości wątroby)

Chrom – metabolizm węglowodanów. Niedobór : wzrost poziomu cholesterolu i cukru we krwi. Nadmiar: uszkodzenia komórek tkanek okołowszczepowych, wywołuje odczyny alergiczne, może powodować krwotoczne zapalenie nerek.

Nikiel :

Niedobór: anemia , zahamowanie wzrostu,

Względna nietoksyczność(toksyczność przy większym stężeniu).

- uszkodzenia ośrodka układu nerwowego

- wydaje się być kancerogenny

Kobalt:

- związek z witamina B12 i jej pochodnymi

- pobudza procesy krwiotwórcze

- zwiększa syntezę kwasów nukleinowych

- pomaga w ogólnej regeneracji organizmu po przebytej chorobie

- jest konieczny w metabolizmie aminokwasów

Niedobór: wywołuje niedokrwistość, toksyczność, odczyny alergiczn

Molibden:

Niedobór :

- nasila próchnicę zębów

- zrzeszotnienie kosci

- wczesne starzenie się, impotencja

- problem ze wzrokiem , choroby skóry

Nadmiar:

- powstawanie odczynów alergicznych

- zwiększenie ilości metabolitów w kwasie moczowym

Mangan: fizjologicznie niezbędny – bierze udział w wielu reakcjach biochemicznych oraz przemianach witaminy C, jest aktywatorem niektórych enzymów

Niedobór: może zaburzać rozwój kości i narządów płciowych

Nadmiar : objawy podrażnienia dróg oddechowych i zapalenie płuc

Tytan:

- może powodować alergie

- stymuluje różnicowanie i działa na ich aktywność osteoklastów

- w małym stopniu wchłaniany przez tkanki

- jego stopy wykazują bardzo dobrą biotolerancje w środowisku tkanek

Aluminium: nie bierze udziału w procesach biologicznych

Powyżej 100mg/kg:

- bóle mięśni

- rozmiękczanie kości i zwiększa podatność kości na złamania

- zmniejsza wykorzystanie glukozy

- wpływa na aktywność i funkcje wielu enzymów

- duże stężenie w ścianach naczyń krwionośnych powoduje ich stwardnienie i usztywnienie

Krzem: mikroelement ważny biologicznie, wchodzi w skład ultrastruktury tkanki łącznej,

Niedobór:

- zahamowanie wzrostu

- zaburzenia budowy i mineralizacji kości

- wypadanie włosów

- łamliwość paznokci

- zmniejszona odporność błon śluzowych

Szereg toksyczności metali:

- kobalt, magnez i jego stopy, żelazo, brązy aluminiowe uznano jako toksyczne

- cynk, srebro, cer, nikiel, związki aluminium i niektóre gatunki stali uznano jako średnio toksyczne

- złoto, aluminium, tytan, stale V2A i V4A, stop vitalium uznano jako nietoksyczne

Przebieg kliniczny korozji i metalowy:

-dyskretny (zmiany tkankowe ujawniają się dopiero po usunięciu implantu)

-cichy (inicjacja korozji zaczyna się bezpośrednio po implantacji lecz rozwój korozji nie powoduje wyraźnych zmian)

-ostry(szybka inicjacja korozji a dalszy jej rozwój rozpoczyna zmiany w tkankach

związek pomiędzy biotolerancją a odpornością na korozje wyrażaną oporem polaryzacyjnym, dzieli się on na trzy rodzaje tworzyw:

- toksyczne

- bezpieczne pod warunkiem nałożenia warstwy pasywnej

- witalne (tzw. Obojętne dla organizmu)

Pasywacja to proces w którym substancja aktywna chemicznie w danym środowisku wytwarza na swojej powierzchni powłokę pasywna utworzoną z produktów reakcji chemicznej tej substancji z otoczeniem. Proces pasywacji odnosi się zasadniczo do metali. Pasywacja niektórych stopów żelaza, chromu, niklu, stali kwasoodpornych, tytanu i jego stopów prowadzi do wytwarzania warstw skutecznie hamujących roztwarzanie anodowe materiału podłoża. Niszczenie warstwy pasywnej może nastąpić pod wpływem jonów Cl.

Rodzaje korozji w środowisku biologicznym:

- wżerowa

- naprężeniowa

- szczelinowa

- zmęczeniowa

Czynniki wpływające na tworzenie się korozji w obszarze implantu:

- niejednorodność chemiczna stopu

- złożone kształty implantu

- nieciągłości warstwy pasywacyjnej

- szczeliny i rysy na powierzchni implantu

- naprężenia cykliczne

- właściwości środowiska biologicznego

Warstwa pasywna może być wytwarzana w końcowym etapie : polerowania lub niekiedy jako oddzielny zabieg pasywacji.

Naruszenie spójności i przyczepności warstwy pasywnej następuje:

- podczas przedoperacyjnego modelowania implantu

- warstwa pasywna implantu może być też uszkodzona mechanicznie podczas zabiegu

- zróżnicowanie umocnienia pomiędzy strefami odkształconymi i nieodkształconymi.

- występowanie wydzieleń węglików lub wtrąceń niemetalicznych na powierzchni

Korozja szczelinowa:

- korozja lokalna występująca w wąskich szczelinach lub bezpośrednim ich sąsiedztwie

- w zamkniętym lub ograniczonym wymiarowo obszarze wewnątrz szczeliny gromadzą się związki chemiczne

- prowadzi to do stopniowego zakwaszania środowiska

Korozja wżerowa:

- rodzaj korozji miejscowej (punktowy ubytek masy)

- przebieg jest związany z działaniem lokalnego ogniwa, które tworzy się pomiędzy dużą spasywowną powierzchnia stali stanowiąc katodę a miejscową zdepasywowaną strefa stanowiącą anodę.

- szybkość rozpuszczania się metalu na anodzie jest duża

Trzy stadia korozji wżerowej:

- zarodkowanie wżeru

- początkowy rozrost

- stabilny wzrost wżeru

Czynniki które korzystnie wpływają na inicjacje wżerów:

- wzrost stężenia jonów chlorkowych

- zakwaszenie roztworu wewnątrz wżeru w wyniku hydrolizy jonów metali

- duże przewodnictwo stężonego roztworu soli wewnątrz wżeru

- ograniczony dopływ tlenu do wnętrza wżeru

Korozja naprężeniowa:

- typ korozji lokalnej

- w środowisku korozyjnym

- w materiale występują naprężenia własne lub przyłożone zewnętrznie

- obciążenia mechaniczne sprzyjają rozwojowi korozji naprężeniowej stali (mogą być bardzo małe)

Podatność na korozje naprężeniową zależy od:

- tekstury

- od składu chemicznego i fazowego stopu

- składu chemicznego i rozmieszczenia wtrąceń niemetalicznych

- oddziaływań dyslokacyjnych

Korozja zmęczeniowa:

W odróżnieniu od korozji naprężeniowej, która występuje tylko w specyficznie oddziałujących mediach, korozja zmęczeniowa może wystąpić w zasadzie we wszystkich korozyjnie działających mediach.

Odporność na korozję zmęczeniowa wzrasta:

- w miarę rosnącej odporności na korozję materiału w danym medium

- w miarę rosnącej wytrzymałości stali

Korozja zmęczeniowa jest wynikiem współdziałania korozji elektrochemicznej oraz zmiennych naprężeń spowodowanych powstawaniem ostrych wżerów przechodzących w pęknięcia wypełnione produktami korozji.

Korozja cierna:

- uszkodzenie mechaniczne warstwy pasywnej następuje w wyniku tarcia w miejscu zetknięcia powierzchni implantu z kością

- wyróżnia ją wielkość docisku powierzchniowego współpracujących elementów

- nierówności jednej z powierzchni zdzierają warstwę pasywna z drugiej

- zachodzi tym łatwiej i twardszy jest tlenek.

Inne niekorzystne skutki używania implantów metalicznych:

- Duże ryzyko powikłań i infekcji pooperacyjnych

- Obluzowanie elementów protezy

- Uczulenie i alergia

Podstawowe tworzywa metaliczne przeznaczone dla medycyny

Stale austenityczne w medycynie :

- austenityczne stale kwasoodporne stanowią grupę tworzyw, które najwcześniej zostały przystosowane do implantowania w organizmie ludzkim

- odporność na korozję międzykrystaliczną stanowi podstawowe kryterium odbiory tego typu stali przeznaczonych na implanty

- wytwarza się z nich igły śródszpikowe , kostne , śruby i nakrętki , groty i druty kostne igły o różnym kształcie , rzadziej endprotezy lub niektóre ich elementy

- stale choromowo- niklowo- molibdenowe są najtańszymi biomateriałami metalowymi

- powinna charakteryzować się drobnoziarnistą strukturą i niskim poziomem wtrąceń niemetalicznych – zapewnia to dobrą wytrzymałość i ciągliwość stali , a także zmniejsza prawdopodobieństwo występowania pęknięć

- skład chemiczny powinien być tak dobrany aby nie powstawała faza ferromagnetyc zna (martenzyt lub ferryt)

SKŁAD CHEMICZNY :

- Chrom w stali austenitycznej zapewnia dobrą odporność korozyjną w ośrodkach utleniających w stężeniu >13% wytwarza w sposób samorzutny warstwę tlenkową na powierzchni, chroniącą stal przez środowiskiem korozyjnym

- nikiel jest stabilizatorem austenitu, hamującym rozrost ziarn

- nie tworzy węglików w stalach, zwiększa plastyczność i odporność na korozję naprężeniową

- molibden podobnie jak chrom zwiększa odporność korozyjną tych stali, głównie na korozję wżerową

Obróbka cieplna :

STALE typu 316L poddaje się :

- przesycaniu w zakresie temperatur 1000-1100 st C,

- przeróbka plastyczna na zimno lub przez zwiększenie azotu w stali – niską wytrzymałość na rozciąganie (200MPa)

Obróbka plastyczna na zimno :

-zwiększają się własności wytrzymałościowe a maleją plastyczne

- stale Cr-Ni-Mo mają tak dobrany skład, że nawet po 80% odkształceniu plastycznym na zimno nie zaszła przemiana martenzytyczny

Wyżarzanie homogenizujące przyczynia się do rozpuszczania i ponownego wydzielenia dyspersyjnej postaci węglików M23C6( węgliki te są stabilniejsze przy wyższych temp, i gdy zawierają pierwiastki W i Ti, wywierają wpływ na odkształcalność stopów w podwyższonych temp).

Wyżarzaniu ujednorodniającemu przy 1170 +-10 stC. (poniżej temp. Eutektycznej ) – podczas tego zabiegu rozpuszczają się węgliki międzydendrytyczne i osiąga się większą jednorodność austenitu.

Kolejny zabieg to przesycanie stopów z temp. 1240 +- 10 st C, po zabiegu otrzymuje się jednorodną i jednofazową strukturę austenitu o większej wytrzymałości i ciągliwości niż w stanie lanym.

Stopy na osnowie kobaltu przerabiane plastycznie po odlaniu osiągają strukturę jednofazową austenitu, posiadają większą odporność na korozję zmęczeniową i naprężeniową niż stopy odlewane. naprężeniową niż stopy odlewane. Podczas odkształcania plastycznego poniżej temp 650 st C w stopach zachodzi przemiana martenzytyczna. Odkształcenie stopów Co-Ni-Cr-Mo przy temperaturach powyżej 650 st C umacnia jedynie austenit , struktura pozostaje w dalszym ciągu jednofazowa,

Dla stopów przerabianych plastycznie stosuje się zabiegi technologiczne:

- stosowane jako zabieg wyjściowy przesycanie przy temp 1050 st C ,

- odkształcenie plastyczne na zimno (poniżej 650 st C) które pozwala osiągnąć największe umocnienie stopu

- odkształcenie plastyczne na gorąca (powyżej 650 st C) które umożliwia pośrednie umocnienie stopu

Tytan – to jeden z najpowszechniej używanych biomateriałów metalicznych

- gęstość 4,3 – 4,5 g/cm^3, E= 1050GPa, Re=692 Mpa;

- dwie odmiany alotropowe ( Alfa – 883 st C, A3 i Beta -882-1668 st C A2

Własności :

- biotolerancja,

- bardzo wysoka zdolność do samopasywacji

-odporność na korozję

- dobra odporność na korozję zmęczeniową

- odporny na działanie środowiska kwaśnego wilgotnego, chloru i roztworów zasadowych

- reaguje z czystym azotem tworząc azotek tytanu

- korzystny stosunek wytrzymałości do gęstości

- reaguje z fluorem – problem w stomatologii

Zdolność do samopasywacji jest pożądaną własnością biomateriałów metalicznych ze względu na niebezpieczeństwo uszkodzenia warstwy pasywnej w trakcie zabiegu lub użytkowania implantu.

Warstwa pasywna występująca na powierzchni tutanów i jego stopów składa się głównie z :

- rutylu (Ti02)

-tlenków tytanu TiO i Ti2O3

Samorzutna warstwa ma grubość ok . 5nm.

Tytan dostępny w handlu to tytan techniczny o czystości ok 99%; zanieczyszczenie tytanu azotem, węglem, wodorem, żelazem, tlenem, wpływa na jego właściwości - Rm, twardość, poprawę właściwości wytrzymałościowych można uzyskać między innymi w wyniku obróbki plastycznej

Stopy tytanu- otrzymuje się je wprowadzając do tytanu dodatki stopowe stabilizujące fazę alfa lub beta :

- fazę alfa stabilizują pierwiastki C, N, O, Al. I Ga

- fazę beta stabilizują pierwiastki V, Nb ,Mo ,Ta ,Ru ,Rh ,Re ,Os ,Ir ,W ,Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Si, Cu, Ag, Au, H

- wprowadzane są także pierwiastki neutralne Zr, Sn, Hf, Ge, Th wywołujące umocnienie roztworowe

-najczęściej stosowanymi dodatkami stopowymi do otrzymywania faz międzymetalicznych są:Si, Al, C

Podział stopów Tytanu :

-jednofazowe Alfa

-dwufazowe alfa +beta

-jednofazowe beta

Stopy Alfa:

- główny składnik stopowy Al- podwyższa wytrzymałość, zmniejsza gęstość , stabilizuje i umacnia roztworowa fazę alfa, pogarsza plastyczność do 8%

- dobre właściwości odlewnicze

- dobra spawalność

-wytrzymałe na pełzanie

-duża odporność na kruchość na zimno i stabilność cieplną

- mała podatność na przeróbkę plastyczną przez Al.

Stopy Alfa + Beta

- tworzą najliczniejszą i najczęściej stosowaną grupę konstrukcyjnych stopów tytanu

- stopy zawierające tylko pierwiastki stabilizujące fazę Beta

-stopy zwierające pierwiastki stabilizujące fazęB i Al.

- stopy Alfa + Beta zawierające Al cechują wysokie wskaźniki własności mechanicznych

- wraz ze wzrostem ilości fazy Beta w osnowie fazy Alfa wzrasta wytrzymałość stopu, osiągając maximum przy 50% zawartości każdej z faz

-mogą być umacniane przez zgniot , charakteryzują się dużym oporem plastycznym i małą przewodnością cieplną , utrudnia to przeróbkę plastyczną na zimno i na gorąco

Stopy Beta o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej charakteryzują się lepszą podatnością na przeróbkę plastyczną niż stopy Alfa oraz stopy Alfa+ Beta;

Stopy Tytanu mogą być wytwarzane jako stopy do obróbki plastycznej, odlewnicze , metalurgii proszków.

Najczęściej stosowanym w medycynie gatunkiem jest stop o strukturze dwufazowej Alfa +Beta Ti-6Al-4V – jego właściwości zostały dostosowane do wymagań chirurgii kostnej.

Biomateriały tytanowe stosuje się w chirurgii (endoprotezy) , stomatologii , kardiochirurgii (zastawki serca, obudowy elektrostymulatorów, stenty, inne akcesoria używane do plastyki naczyń). Przy stosowaniu wszczepów z tytanu technicznego następuje efektywniejsza regeneracja tkanki kostnej niż w przypadku jego stopów. Problemem jest niska odporność na zużycie przez tarcie biomateriałów tytanowych stosowanych w chirurgii kostnej. Osteointegracja na powierzchniach rozwiniętych jest szybsza niż na powierzchniach gładkich – dlatego stosuje się metody umożliwiające rozwinięcie powierzchni części śródkostnych wszczepów.

Obróbka cieplna stopów tytanu ( 3 rodzaje obróbki )

- wyżarzanie

-przesycanie i starzenie

-hartowanie i odpuszczanie

Ogólna obróbka cieplna stopów o strukturze dwufazowej Alfa + Beta

-przesycanie w temp 25-60 st.C niższych od temp przejścia w jednofazową strukturę Beta

-starzenie w zakresie temp 400-540 st C w czasie 1 do 50 h.

-przesycanie poprzedza obróbka plastyczna powodująca rozdrobnienie ziarna

Obróbka cieplna dla stopów Alfa + Beta z Al :

- obróbka z przemianą izotermiczną (wyżarzanie izotermiczne ) –nagrzanie stopów do zakresu temp istnienia stabilnej fazie B i ochłodzeniu do wybranego zakresu temp dalszym izotermicznym wytrzymywaniu stopów przy tej temp dla zrealizowania przemiany Beta w Alfa +Beta , następnie stopy są chłodzone do temp otoczenia.

Obróbka plastyczna – przeróbka tytany i jego stopów w trakcie procesów metalurgicznych stwarza trudności ze względu na ich wysoką temperaturę topnienia i odlewania , małą gęstość przy stosunkowo dużej lepkości , wysoką aktywność chemiczną ciekłego metalu.

-Kucie Ti i jego stopów jest najbardziej rozpowszechnionym procesem przeróbki plastycznej - nagrzewanie materiału prowadzone jest w piecach z atmosferą powietrza lub korzystniej w atmosferach obojętnych do zakresu temp 1000-750 st C,

-po kuciu należy wyżarzać Ti w 550-680 st C , a jego stopy 750-920 st C od 1 do 3 h

Za pomocą walcowania wykonuje się taśmy, kształtowniki, blachy stanowiące materiał wyjściowy do produkcji implantów , powierzchnia przed walcowaniem musi być bez zgorzeliny i warstwy nasyconej gazami, - temp początku walcowania , dla grubych wyrobów – 1050-1100 st C, dla cienkich do 1000 st C, temp końcowa walcowania – 700- 850 st C ,

Prasowanie wypływowe – szeroko stosowane dla Ti i jego stopów, dobrze wypełnia matrycę, łatwo osiąga dużą gładkość powierzchni i dobrą tolerancję wymiarów, zastosowanie: wytwarzanie prętów i kształtowników. Materiałem wyjściowym są obrobione wlewki lub odkuwki, zakres temp Ti techniczny 925-1035 st C, dla stopów Alfa +Beta 900-960 st. C. Po prasowaniu przeprowadza się wyżarzanie 650-760 st C z chłodzeniem w powietrzu.

Ciągnienie drutów lub prętów prowadzi się przy temp otoczenia lub podwyższonych 300-400 stC. W trakcie ciągnienia przy temp. Podwyższonych i ona gorąca podgrzewa się również ciągadła (do 200-250 st C)

By nie dopuścić przylepiania się materiału do powierzchni narzędzi i wyrobów stosuje się na matryce pokrycia ochronne szklane lub miedziowe. Do prasowania i ciągnienia stosowane są specjalne smary. Na ciągadła także stosuje się odpowiednie smary , a ponadto powierzchni pokrywa się przed samym procesem warstwą tlenków .

Obróbka powierzchni stopów tytanu :

Problemem przy stosowaniu materiałów metalicznych jest zjawisko metalozy (przechodzenie składników stopu do tkanek otaczających implant ).

- V wywołuje reakcje cytologiczne i w konsekwencji zaburzenia neurogenne,

- Al wpływa na rozmiękczenie kości , uszkadza komórki nerwowe oraz niekorzystnie oddziałuje na aktywność i funkcje enzymów i neuroprzekaźników, wywołuje schorzenia mózgu i naczyń krwionośnych

Warstwy pasywne z udziałem pierwiastków Nb i Zr są trwałe, posiadają dobrą adhezję do metalicznego podłoża.

Tytan i jego stopy nie wykazują dobrej odporności na zużycie tribologiczne. Zużycie ścierne determinuje biotolerancję, dlatego próbuje się uzyskać grubsze warstwy tlenkowe lub wysycać powierzchnię innymi pierwiastkami ( N ,C, Ca ,P).

W procesie utleniania anodowego można uzyskać zmianę grubości warstwy tlenków i właściwości powierzchni.

Metody utleniania anodowego :

-potencjostatyczna – prowadzona przy stałej wartości potencjału

-galwanostatyczna – prowadzona przy stałej gęstości prądu ,

-mieszana- łączy się powyższe metody

-elektrolizy plazmowej

Modyfikacja powierzchni wpływa korzystnie na zmniejszenie oporów ruchu.

Poprzez dyfuzyjne utlenianie (obróbka cieplno-chemiczna) uzyskuje się warstwę wzbogaconą w tlen o grubości ok 50 mikrometrów i twardości 900HV:

- zmniejsza współczynnik tarcia

-zwiększa odporność na ścieranie powierzchni tytanowego stopu

- nie zmienia się przy tym odporność powierzchni stopu na korozję wżerową

- nie stwierdzono negatywnego oddziaływania warstwy dyfuzyjnej na wytrzymałość zmęczeniową, korozję naprężeniową i zmęczeniową.

PVD azotowanie – umożliwia uzyskania utwardzonych warstw o grubości 3 mikrometry i twardości ok 2200 HV, metoda osadzania z fazy gazowej, polega na procesie osadzania atomów danych pierwiastków ze źródła, które wzbudzone emituje swoisty gaz atomowy. Jest on transportowany pod niskim ciśnieniem gazów, lub plazmy do miejsca docelowego gdzie dochodzi do kondensacji atomów i ich osadzania. Powłoki te nie stanowią jednak pełnej ochrony antykorozyjne dla stopów, dlatego stosuje się stopy o lepszej odporności korozyjnej. Jest to spowodowane tym , że :

- powłoki TiN są poroware i niejednolicie pokrywają daną powierzchnię,

- w efekcie może dochodzić do powstawania mikroogniw,( do korozji szczelinowej)

Charakterystyka powłok PVD:

- spełniają skutecznie rolę warstwy ochronnej do czasu, dopóki są szczelne

-polepszenie właściwości antykorozyjnych powłok TiN uzyskuje się przez zwiększenie ich grubości

- po przekroczeniu 4,5 mikro metra stają się zbyt kruche

- może dochodzić do defektów powierzchniowych powłoki

- ze wzrostem grubości pogarsza się siła wiążąca powłokę do podłoża , zmniejsza to jej wytrzymałość na uszkodzenia mechaniczne.

Obróbki jarzeniowe (obróbki cieplno- chemiczne w atmosferze gazowej z wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego) :

- przedmioty obrabialne, stanowiące katodę umieszcza się w komorze roboczej, której ścianki i odpowiednie ekrany są anodą

- gaz reaktywny wprowadza się do komory roboczej przy ciągłym przepływie określonej mieszaniny gazowej

-zmiana napięcia wyładowania wpływa na zmianę natężenia prądu i w efekcie na nagrzewanie obrabianych przedmiotów do żądanych temperatur obróbki

-przedmioty obrabiane (katoda) nagrzewa się od przykatodowych władowań elektrycznych i na skutek bomardowania jonami gazu

-regulację procesu przeprowadza się przez dobór mieszaniny gazowej, ciśnienia i gęstości prądu wyładowania

Tytan charakteryzuje się dużym powinowactwem chemicznym do azotu, węgla i tlenu. Azotki, węgliki, węglikoazotki i tlenki tytanu cechują się dobrą biozgodnością.

Powłoka PACVD – Powłoka DLC wytworzona na powierzchni Ti i stopu Ti6Al4V metodą przy użyciu benzenu jako gazu reakcyjnego wskazuję, że powłoki tego typu wyróżniają się dobrą odpornością na ścieranie, małym współczynnikiem tarcia.

Implantacja jonów – proces polegający na bombardowaniu powierzchni wiązką jonów o dużej energii. Tworzy się warstwa wierzchnia o grubości 0,1 -1 mikrometra, integralnie związania z podłożem o innych właściwościach niż podłoże.

Poprzez dobór :

- implantowanych pierwiastków

-ich dawki

-energii wiązki

Można modelować właściwości powierzchni, odpowiadające aktualnym wymaganiom. Zmiany właściwości powierzchni tytanu w wyniki implantacji jonów są spowodowane zmianami składu chemicznego warstwy wierzchniej, morfologii powierzchni oraz struktury. Implantacja może powodować: tworzenie nowym faz, przemiany fazowe, amorfizację powierzchn. Przy tytanie i jego stopach implantację jonów wykorzystuje się do podwyższenia odporności na zużycie tribologiczne, bioaktywności i odporności na korozję. Implantację można prowadzić konwencjonalnie lub w plazmie.

Implantacja jonów : azotu, węgla i tlenu :

- podnosi właściwości tribologiczne badanych stopów

- przy implantacji azotu i węgla wzrost odporności jest wywołany utwardzeniem roztworu stałego i tworzeniem wydzieleni TiN lub TiC.

Implantacja jonami N daje niekorzystne tribologiczne rezultaty w kontakcie z PE. Jony N krótkotrwale podnoszą odporność trybologiczną a podniesienie współczynnika tarcia prowadzi do szybszego zużywania PE w panewkach.

Metody podnoszenia bioaktywności:

- nakładanie powłok bioaktywnych na podłoże tytanowe

-najczęściej stosowaną metodą jest nanoszenie warstwy hydroksyapatytu przez natryskiwanie plazmowe, warstwy te mają skomplikowaną strukturę , wykazują słabą przyczepność do położa

Do modyfikacji warstwy tlenkowej na tytanie w celu podwyższenia bioaktywności stosowane są np. implantacja jonów Ca, Na, P, Ca +P czy utlenianie plazmowe w roztworach zawierających Ca, Na, Si, P. Na bioaktywność tytanu wpływa implantacja Ca , Ca +P i Na. Ze wzrostem dawki rośnie grubość warstwy wierzchniej.

- W wyniku implantacji jonów sodu tworzy się warstwa powierzchniowas (tytanian sodu)

-w środowisku płynu ustrojowego tytanian sodu ulega hydrolizie, jony Na+ przechodzą do roztworu i następnie wzrost pH przy powierzchni, natomiast na powierzchni tytanu tworzą się dodatkowe grupy Ti-Oh(większa ilość grup Ti – OH i wzrost pH roztworu sprzyja tworzeniu się hydroksyapatytu.

Utlenianie plazmowe

Elektrolityczne utlenianie plazmowe – to metoda elektrochemicznej obróbki powierzchni metali polegająca na wytwarzaniu warstw ceramicznych na podłożu metalowym, w wyniku reakcji zachodzących na powierzchni anody podczas przebicia warstwy tlenkowej obecnej na powierzchni anody, której towarzyszą wyładowania iskrowe na granicy anoda/elektrolit. Metoda ta może być stosowana do wytwarzania warstw tlenkowych na metalach przejściowych, takich jak Al, Mg, Ti, Zr, tantal, W oraz ich stopach. Warstwy te są porowate, grubość -0,5 do 300 mikrometrów.

Obecność grubszych niż warstwa pasywna warstw tlenkowych może obniżyć gęstość prądu anodowego w środowisku płynu fizjologicznego i zapobiegać przechodzeniu jonów tytanu do otoczenia.

Natomiast warstwy tlenkowe wzbogacone w Ca i P można przekształcić w warstwę hydroksyapatytu. Porowatą warstwę tlenkową wzbogaconą w wapń i fosfor przekształcono w warstwę hydroksyapatytu metodą obróbki hydrotermalnej. Podczas wygrzewania hydrotermalnego tworzą się drobne wydzielenia kwaśnych fosforanów wapnia równomiernie pokrywające powierzchnię, oraz liczne kryształy słupkowe o składzie chemicznym odpowiadającym składowi hydroksyapaptytu.

Biomateriały ceramiczne

Parametry mechaniczne:

- wysoka granica plastyczności

- mechanizm niszczenia – tworzywo kruche

- szelity griffithsa

- wysoki moduł sprężystości

- niska wytrzymałość na rozciąganie

- niska energia pękania

Cechy charakterystyczne:

- tworzywa nieorganiczne

- amorficzne lub krystaliczne

- otrzymywane w wysokich temp.

- odporne chemicznie

- dobre izolatory termiczne i elektryczne

- wysoka twardość

- materiały kruche

Własności biomateriałów ceramicznych ( odmiennych w odniesieniu do biomateriałów metalicznych):

- porowatość

- większa wytrzymałość na ściskanie oraz odporność na ścieranie

- większą odporność na korozję w środowisku tkanek i płynów ustrojowych

- większa biotolerancja

- są nieodporne na obciążenia dynamiczne i nie wykazują odkształceń

Bioceramika:

1.Fosforany (resorbowane w organizmie)

- bioaktywna osteoinduktywna

2.Ceramika tlenkowa lita i porowata

3.Bioszkła(kontrolowana reaktywność powierzchniowa)

-bioaktywna osteoinduktywna

Formy implantów ceramicznych:

- Kształtki (lite i porowate)

- Granule

- Proszki

- Warstwy

Bioceramika:

Klasa A – materiały osteoproduktywne – reakcja komórkowa i pozakomórkowa – trwałe połączenie : kość – implant

Klasa B – materiały osteoprzewodzące(porowate) – reakcje komórkowe - porowate materiały ceramiczne

Bioaktywność:

- Unikatowa cecha materiałów ceramicznych

- Bioaktywne to takie, które bezpośrednio łączą się z tkanką

- Mechanizm zjawiska jest różny w zależności od materiału

- Bioaktywność zdolność powierzchni biomateriału do mineralizacji biomimetycznej

- Bezpośrednia kontakt tkanka – kość

- Wiązanie o charakterze chemicznym

- Tworzenie na powierzchni implantu aktywnej biologicznie warstwy apatytu

- Materiały bioaktywne są osteoinduktywne

Materiały ceramiczne resorbowane w organizmie – ceramika fosforanowa :

- zawierają pierwiastki i związki które biorą udział w metabolizmie i przechodzą do struktur tkankowych.

- dominujące znaczenie mają kompozyty zawierające ortofosforany wapnia a zwłaszcza ceramika hydroksyapatytowa

- wzrost warstwy apatytu biologicznego na powierzchni implantu po wszczepieniu do organizmu

- adhezja osteoblastów

- osteoblasty indukowane do procesów kościotworzenia

Hydroksyapatyt:

Naturalny:

- mineralne rusztowanie tkanki łącznej, odpowiedzialnej za mechaniczną wytrzymałość kości

- w kościach ma postać bardzo długich kryształów

Syntetyczny(wytwarzany w celach medycznych):

- z uwagi na nienajlepsze własności mechaniczne nie stosuje się go na całe implanty, lecz dzięki dobrej biozgodności znalazł zastosowanie w stymulowaniu rozwoju kości w niewielkich ubytkach kostnych oraz jako pokrycia

Tytanowe implanty ( pokrywane hydroksyapatytem):

- kość w kontakcie z tym implantem zaczyna obrastać go tkanką kostną

- obrastający tkanką kostną implant nie wymaga użycia tzw. Cementu kostnego który z biegiem lat może się luzować, powodując ból.

Wytwarzanie syntetycznego hydroksyapatytu bazuje na wytwarzaniu proszków i następnie spiekaniu. Substraty substancyjne pochodzenia naturalnego oraz odczynniki chemiczne.

Metody sztucznego wytwarzania proszków

- metoda mokra

- metody suche

- metody hydrotermalne

- metody topnikowe

- metody zol-żel

Warstwy wierzchnie z hydroksyapatytów są nakładane głównie technikami plazmowymi.

- warstwa powierzchniowa z hydroksyapatytem tworzy trwałą więź kontaktową przez resorpcję i wrastanie

- może przenosić obciążenia mechaniczne

- eliminuje się tym sposobem cementy kostne

- zmniejsza odczyny okołoszczepowe ograniczające kontakt powierzchni metalicznych z tkanką kostną

Napylanie plazmowe:

- napylanie HAp hydroksyapatytów w postaci proszków o ziarnistości 20 do 120 um podgrzanego palnikiem plazmowym do temperatury 20000 do 30000 K

- utworzona tą techniką powłoka jest dwuwarstwowa amorficzna zewnętrzna i krystaliczna wewnętrzna

- oceniając jakość powłoki określa się : skład chemiczny i fazowy, stopień krystaliczności, mikrostrukturę, siłę adhezji, grubość i gęstość

Inne techniki nanoszenia:

- CVD

- PVD

- pokład termiczny

- rozpylanie jonowe

- osadzanie elektrochemiczne

- zanurzanie i spiekanie

- utlenianie anodowe

Zastosowanie hydroksyapatytów w medycynie:

1. Wypełnianie ubytków kostnych

- powypadkowych

- po resekcji nowotworów

- w żuchwie i twarzo-czaszce

- w kręgosłupie

- warstwy i pokrycia na implanty metaliczne

- składniki kompozytów

- materiał modyfikujący własności podłoży dla inżynierii tkankowej

Własności biologiczne hydroksyapatytów:

- biozgodność z wieloma typami Komorek

- powierzchnia o właściwościach sprzyjających adhezji i proliferacji komórek

- właściwości bioaktywne - tworzenie wiązań chemicznych pomiędzy tkanką a implantem

- biozgodne produkty degradacji – szybkość degradacji zależy od mikrostruktury materiału, wielkości ziaren, stopnia krystaliczności, składu chemicznego

Biomateriały ceramiczne z kontrolowana reaktywnością w tkankach:

1. Szkła i szkopochodne tworzywa (szkła zawierające)

- apatyt

- floroapatyt

- woflastonit

- berlinit

- flogopit

Stan szklisty:

- ciała stałe – amorficzne

- bezpostaciowe – żele, smoły, szkła nieorganiczne, szkliste polimery organiczne

- brak uporządkowania dalekiego zasięgu

- zamrożona wysokotemperaturowa struktura z nadmiarem energii

Właściwości szkieł krzemianowych

- bezpostaciowe

- nie posiadają stałej temp. Topnienia

- izotropowe

- słabe przewodnictwo elektryczne

- duża odporność chemiczna

Bioaktywność:

- apatyt tworzący się na granicy faz działa stymulująco na komórki kostne

- tworzenie matrycy organicznej i jej mineralizacji

- pomiędzy materiałem syntetycznym i tkanką tworzy się naturalna kość

- składniki nieorganiczne budujące warstwę apatytu pochodzą lub z rozpadu bioszkła lub z osocza krwi

Biomateriały ceramiczne obojętne ( ceramika tlenkowa – spieki nieporowate) bioinertna i biozgodna.

- wykazują minimalne zmiany chemiczne w kontakcie z tkankami i roztworami fizjologicznymi

- reakcje tkanek na tę grupę materiałów znamionuje wytworzenie w bezpośrednim sąsiedztwie bardzo delikatnej , kilkumilimetrowej włóknistej tkanki otaczającej wszczep

Typowym biomateriałem obojętnym jest tzw, Biokorund. A także : azotek krzemu, węglik krzemu, tlenki cyrkonu, tytanu i magnezu.

Bioceramika obojętna:

1. Wyroby o gładkiej powierzchni

- elementy endoprotez współpracujących suwliwie

Zastosowanie(nieporowate spieki):

- protezy stawów

- implanty dentystyczne

- kosteczki słuchowe

- implanty do rekonstrukcji czaszki

- implanty do stabilizacji kręgów

1. Wyroby o porowatej powierzchni

- powierzchnie w które wrastać będą tkanki

- ulega w większym stopniu starzeniu i osłabieniu

- ubytki tkanki kostnej – dobre zespolenie

Biomateriały polimerowe:

Podział :

1. Sztuczne

   1. Niedegradowalne, biostabilne

   2. Degradowane , resorbowalne

2. Naturalne

   1. Białka (kolagen)

   2. Polisacharydy (chityna, chitozan, kwas alginowy)

Zastosowanie:

- Ortopedia : elementy endoprotez , materiały do uzupełniania ubytków kostnych, sztuczne ścięgna, cementy kostne

- Kardiochirurgia : elementy zastawek serca, protezy naczyń, elementy sztucznego serca

- Inne obszary medycyny: stomatologia, implanty laryngologiczne, okulistyka, nici chirurgiczne, regeneracja tkanek

Charakterystyka

Homoplimery – te same mery

Kopolimery – dwa różne mery

Tworzywa sztuczne dla medycyny powinny cechować się:

- łatwością uzyskiwania powtarzalnej jakości materiału

- łatwością formowania

- łatwością sterylizacji

- brakiem inicjacji odczynów toksycznych lub alergicznych

- biotolerancją w środowisku tkankowym

- stosowną trwałością funkcjonalną i niezawodnością

Zalety :

- łatwość produkcji

- znaczne możliwości sterowania własnościami

- znaczne możliwości modyfikowania powierzchni

- możliwość otrzymywania w wielu postaciach

- niektóre są resorbowalne

- parametry fizyczne podobne do tkanek

Wady:

- bywają trudne do sterylizacji

- nieodporne na działanie temp.

- w przypadku części toksycznych produkty degradacji

- zużycie trybologiczne

- względnie gorsze własności mechaniczne

Polietylen

- termoplastyczny

- różne postaci w zależności od masy cząsteczkowej

- odporny na działanie środowiska biologicznego

- wysoka odporność trybologiczna

- ok.40-70% fazy krystalicznej

- dobre własności mechaniczne

- biozgodny

Główne odmiany Polietylenu

- PE-HD

- PE-LD

- UHMWPE

1. PE-HD

- dielektryk

- odporne na działanie większości rozpuszczalników, zasady, kwasów, w tym także na fluorowodory I roztwory soli

- produkty wytwarzane przez prasowanie i wytłaczanie

- płytki zespalające, panewki do endoprotez stawu biodrowego

- wzrost temp – spadek wytrzymałości

- własności mechaniczne zależne od gęstości i krystaliczności

- upływ czasu = zmiana barwy

1. Akryle

- głównie stosowany polimetakrylan metylu-ester metylowy kwasu metakrylowego (PMMA)

- amorficzny

- twardy, przezroczysty

- odporne chemicznie

- biozgodny

- wytrzymały

PMMA – cementy kostne:

Dwuskładnikowe (2:1):

- proszek, inicjator polimeryzacji

- płyn (monomer, MMA, inhibitor)

- dodatki antybiotyków

- skurcz polimeryzacji 1-5%

- ciepło podczas polimeryzacji

- wytrzymałość na zginanie 28-31 MPa, ściskanie ok. 66 MPa, ścinanie 30-41 MPa

Akryle w stomatologii:

1. Twarde (płyty protez)

2. Miękkie (podścielenia)

Materiały akrylowe są najczęściej dwuskładnikowe:

- proszek to PMMA(twarde)

- płyn jest mieszanina plastyfikatora i monomeru

Silikony – cechują się dobrą odpornością termiczną, dobre własności dielektryczne, dobra odporność na utlenianie, działanie czynników atmosferycznych, hydrofobowość, adhezyjność, elastyczność i mała twardość.

PU :

Silikony mogą być do celów medycznych wykorzystywane:

- jako elastomery sylikonowe na wszczepy, dreny, kształtki i folie a ostatnio na pelotezy sutka, małych stawów

- ciekłe sylikony (oleje i ich emulsje wodne) stosuje się przez wstrzykiwanie do rekonstrukcji tkanek miękkich, zwłaszcza twarzy i piersi

- żywice sylikonowe do pokrywania nici chirurgicznych, protez naczyń krwionośnych

Poliuretan:

- polimery powstające w wyniku addycyjnej polimeryzacji wielofunkcyjnych izocyjanianów do amin i alkoholi

- elastomery liniowe i usieciowione

- niska temp. zeszklenia, wysokie wydłużenie

- amorficzne

Zastosowanie:

- do protezowania ubytków tkanek

- do wytwarzania cewników i balonów wewnątrzaortalnych oraz protez naczyń krwionośnych, szczególnie o średnicy poniżej pomp krwi

- implantów sutka, przełyku i tchawicy, moczowodów i jajowodów oraz powłok membranowych do związania miękkich tkanek

- szwy i wiązadła, spoiwa, opatrunki

- do wyrobu woreczków do przechowywania krwi, membran do dializy krwi itd.

Politetrafluoroetylen (PTFE)

- jest włóknotwórczym polimerem termoplastycznym

- odporny chemicznie na działanie zwykłych rozpuszczalników

- niski współczynnik tarcia

- biozgodny

- wysokie parametry mechaniczne

- krystaliczny

Zastosowanie:

- protezy naczyniowe

- ścięgna

- nici chirurgiczne

- w połączeniu z polipropylenem do wytwarzania implantów zastępujących kości czaszki

- na wyroby do kontaktu z krwią jako biopolimery konstrukcyjne

Inne

Poliamid – nici i siatki chirurgiczne

Politetraftalan etylu – protezy naczyniowe, siatki, nici chirurgiczne

Polipropylen – nici chirurgiczne, siatki

Polimery degradowane (resorbowalne)

Są w całości zastępowane przez tkanki:

- Polilaktyd

- Poliglikolid

- Kopolimer laktyd/glikolid

- Polidioksan

- Polikaprolakton

Co wpływa na degradacje polimerów :

- Krystaliczność

- Masa cząsteczkowa i jej rozkład

- Własności hydrofilowe

- Obecność składników o niskiej masie cząsteczkowej jak monomery, rozpuszczalniki, inicjatory czy lekarstwa

- Sterylizacja

- Miejsce wszczepiania

Czynniki powodujące degradację implantów w środowisku biologicznym

1. Czynniki biologiczne – biodegradowalne (enzymy, lipidy, makrofagi wokół ciała obcego)

2. Czynniki niebiologiczne – degradacja ( woda, elektrolity, aktywne postaci tlenu, wolne rodniki)

Wyróżniamy mechanizmy degradacji :

1. objetościowa

2. powierzchniowa

Degradacja i bioresorpcja poliestrów alifatycznych

Reakcja hydrolizy – rozerwanie łańcucha poliestru i wydzielenie kwasów (PGA)

- Polilaktyd

- Poliglikolid

Zastosowania:

- nici chirurgiczne

- sztuczne wiązadła

- membrany wykorzystywane do regeneracji ubytków kostnych

- nośniki do kontrolowanego uwalniania leków dermatologicznych

- chirurgia naczyniowa

- ortopedia

- chirurgia twarzowo – szczękowa

- inżynieria tkankowa

- nośniki leków

Inżynieria tkankowa – sztuczne narządy

Implanty które poddano modyfikacji, wykorzystując do tego celu biologię komórkowa- dołączenie do implantów komórek określonego typu.

Dwie podstawowe funkcje biopolimerów w organizmie:

- zapewnienie stabilizacji uszkodzonej tkanki kostnej umożliwiające jej zrost.

- zapewnienie stabilizacji uszkodzonej tkanki oraz dostarczenie bezpośrednio do miejsca złamania leków.

Polimery pochodzenia naturalnego:

- Budują naturalna substancję międzykomórkowa

- Pochodzą z innych gatunkowo organizmów żywych, wiec mogą być odrzucone

- Trudne przetwórstwo

Kolagen:

Białko włókniste tkanki łącznej: główny składnik skóry, ścięgien, chrząstek, kości, zębów, naczyń krwionośnych i błon wewnątrzustrojowych. Po implementacji kolagenu mogą pojawić się reakcje immunologiczne, które mogą doprowadzić do odrzucenia wszczepu.

Zastosowanie :

- jako skóra zastępcza do leczenia ran oparzeniowych

- w celu korekcji tkanek miękkich

- w okulistyce

- w stomatologii

- w ortopedii

- w chirurgii naczyniowej

Fibrynogeny : jedwab

Fibrynogeny – białka osocza. Wszczepy fibrynowe stosowane są w urologii, folie do hamowania po zabiegach chirurgicznych krwawienia, jako składniki do kleju fibrynowego do zespalania tkanek. Materiał nietoksyczny o małej antygenowości.

Jedwab – naturalny produkt wytwarzany w gruczołach przędnych gąsienic jedwabników. Materiał do zespalania tkanek.

Wielocukry – chityna i jej podobny chitozan, wyodrębnia się ją ze skorupek kryla, krabów , krewetek. Właściwości : bioaktywność, biodegradowalność , nietoksyczność, własności bakteriostatyczne, antynowotworowe, antygrzybiczne, stymuluje odporność organizmu. Chityna i chitozan są nierozpuszczalne w wodzie.

Zastosowanie :

-gąbki do tamowania krwi

-protezy naczyniowe

- folie do pokrywania ran

- sztuczna skóra

- bandaże

-pokrycia soczewek kontaktowych

-struktury porowate w inżynierii tkankowej

-implanty mogące przyspieszać gojenie kości

Ograniczenia i wady:

-wysokie koszty materiałów , wąski rynek

- problem z uzyskaniem stałego źródła materiału o powtarzalnych własnościach

Alginiany- biodegradowalne polisacharydy otrzymywane z alg morskich , mają zdolności tworzenia żeli.

Zastosowanie:

- materiały opatrunkowe w postaci włókien , tkanin, dzianin, nie przylegają do raz z wysiękiem, absorbują wysięk otrzymują wilgoć i przyspieszają gojenie ran

- nośniki do kontrolowanego uwalniania leków

-materiały podłożone w inżynierii tkankowej

Hydrożele – nośniki leków , wysoka zawartość H2O, są elastyczne i zbliżone własnościami mechanicznymi do tkanek miękkich, woda stanowi medium transportowe dla dyfuzji substancji, a stopień usieciowania matrycy polimerowej wpływa na własności transportu, naturalne polimery i ich pochode, metakrylany i ich kombinacje

Uwalnianie leków w hydrożelach :

-lek może być wprowadzany w procesie polimeryzacji lub z wodą w procesie pęcznienia

- uwalnianie leku podczas pęcznienia hydrożelu lub na skutek działania czynników zewnętrznych jak temp czy stężenia określonych substancji.

Materiały węglowe- węgiel warstwowy w medycynie

Zastosowanie :

-pokrycia i warstwy na implantach kardiochirurgicznych

- pokrycia i warstwy na endoprotezach

Metody chemiczne CVD – piroliza węglonośnego prekursora gazowego + synteza.

Metody fizyczne – sublimacja węgla lub grafitu i kondensacja na podłożu

Warstwy węglowe stosowane w medycynie :

-węgiel pirolityczny typu LTIC – niskotemperaturowy pirolityczny węgiel izotropowy

-ULTIC – niskotemperaturowy węgiel izotropowy

-DLC- węgiel diamentopodobny

W medycynie szczególne znaczenie mają różne formy implantów do zastosowań kardiochirurgicznych, których powierzchnia pokryta węglem pirolitycznym charakteryzuje się atrombogennością. Warstwy te są twarde, trwałe chemicznie, mają niski współczynnik tarcia.

Trombogenność- zdolność powierzchni syntetycznej do aktywowania płytkowych i osoczowych czynników krzepnięcia, w wyniku czego powstaje zakrzep.

Inne przyczyny czynników krzepnięcia :

-zaburzenia przepływu krwi, zmiany w składzie krwi, zmiany w ścianie naczynia.

Węgiel pirolityczny :

-otrzymywany jest drogą termicznego rozkładu termicznego substancji węglonośnych węglowodorów lub polimerów w zakresie temp 1000-1500 st C

- jest twardy, wytrzymały na uszkodzenia mechaniczne

- charakteryzuje się laminarną budową zbliżoną do grafitu

- wielkość obszarów uporządkowanych zależy od temp. Otrzymywania

-gładkie warstwy wierzchnie

-odporny trybologiczne

-odporny chemicznie w środowisku biologicznym

-atromobogenny, inhibitor procesu zakrzepowego

DLC- węgiel diamentopodobny – sublimacja z grafitu osadzanie na podłożu

-mikrokrystality

-brak uporządkowania dalekiego zasięgu

- różne wiązania między atomami węgla

-obecne puste przestrzenie

- H obecny w postaci cząsteczkowej i atomowej

Własności :

-odporny chemicznie, przeświecalny, własności biologiczne zbliżone do pirolitycznego , atrombogenny,

-twardość jak ceramika

-słaba adhezja do powierzchni

-niski współczynnik tarcia

- możliwość modyfikacji N, Si metalami w celu obniżenia wysokich naprężeń wewnętrznych

Włókna węglowe

- w leczeniu przerwania ścięgien i rekonstrukcji więzadeł w wypełnieniu ubytków kosntych i chrzęstnych w rekonstrukcji ubytków ścianek tchawicy jako nici chirurgiczne

- pozytywne wyniki choć zwraca się uwagę na reakcję błony maziowej stawów,

Kompozyty węglowe :

- osnowa węglowa- włókna węglowe

-otrzymywanie – obróbka cieplna wstępnie uformowanych kompozytów. Transformacja osnowy organicznej w węglową, produkt podaje się procesowi zagęszczania pirowęglanem

- implantowane do organizmu podlegają fragmentacji i biodegradacji

- biomateriał węglowy wszczepiony do środowiska tkankowego podlega resorpcji

-stopień biodegradacji materiału węglowego w kości gąbczastej jest zdecydowanie większy niż w kości zbitej