1. Co to jest biomateriał?

Biomateriał to każda substancja, inna niż lek lub kombinacja substancji syntetycznych i naturalnych, która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie narządu, albo jego części lub przejęcie czasowe lub na stałe jego funkcji.

• To materiał syntetyczny lub pochodzenia naturalnego stosowany w urządzeniach przeznaczonych do kontaktu z układem biologicznym,

• jest stosowany do otrzymywania urządzeń, elementów służących do częściowego lub całkowitego zastąpienia funkcji narządu w sposób bezpieczny, niezawodny, ekonomiczny i akceptowalny fizjologicznie.

2. Wymagania stawiane biomateriałom

Materiał, z którego są zrobione implanty, nie może być szkodliwy dla organizmu człowieka - rakotwórczy, toksyczny czy radioaktywny, nie może też korodować. Musi być zgodny biologicznie, czyli tolerowany przez tkanki żywe - kość obrośnie wówczas wszczep. Biozgodność to zdolność biomateriałów do wywoływania reakcji tkankowej lub komórkowej najbardziej pożądanej z punktu widzenia stosowanej terapii medycznej. Muszą spełniać określoną funkcję w organizmie (regeneracyjne, rekonstrukcyjne)

Biozgodność: od czego zależy

- budowa i skład chemiczny

- struktura materiału

- stan powierzchni

- energia powierzchniowa

- potencji al korozyjny

- produkty degradacji

3. Własności które muszą spełniać biomateriały

• Łatwość uzyskania powtarzalnej jakości materiału dla różnych partii wyrobów;

• Łatwość formowania pozwalająca na nadanie odpowiedniej postaci użytkowej bez

degradacji tworzywa;

• Łatwość sterylizacji;

• Odpowiednia jakość fizykochemiczna biomateriału;

• Nieinicjowalnie odczynów alergicznych lub toksycznych;

• Bioinertność (bioobojętność)

4. Wymienić podstawowe grupy biomaterialow(metale, kompozyty, polimery itd.)

-Metale i stopy przeznaczone na implanty powinny wykazywać:

• odpowiednie własności mechaniczne

• dobrą odporność na korozję

• dobrą jakość metalurgiczną i jednorodność

• odporność na zużycie ścierne

• brak tendencji do tworzenia zakrzepów

• odpowiednie własności elektryczne

• możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania

• zgodność tkankową – nietoksyczność i niewywoływanie odczynów alergicznych

Do odmiennych własności bioceramiki od biomateriałów metalowych, można zaliczyć:

• większą biotolerancję

• większą odporność na ścieranie oraz wytrzymałość na ściskanie

• porowatość, umożliwiającą wrastanie tkanek i trwalsze połączenie tkanek z implantami

• większą odporność korozyjną w środowisku tkanek i płynów ustrojowych

-Biomateriały węglowe

Dzielimy je na:

1. biomateriały kompozytowe

   • włókna węglowe (carbon fibres)

   • biomateriały kompozytowe węgiel-węgiel (carbon-carbon composite)

1. warstwy węglowe

   • diamentowe (DF - diamond films), zawierające diament nanokrystaliczny, tetraedryczny i amorficzny o rozmiarach ziarn nieprzekraczających kilkudziesięciu nanometrów

   • diamentopodobne (DLC - diamond-like carbon), które są mieszaniną amorficznego i nanokrystalicznego węgla z przeważającym udziałem diamentu o sieci romboedrycznej lub regularnej.

Biomateriały węglowe mają duże znaczenie w chirurgii, gdyż cechują się:

• dobrą biotolerancją

• dobrymi własnościami fizykochemicznymi

• odpornością na promieniowanie jonizujące i niejonizujące

• atrombogennością (własność materiału eliminująca powstawanie skrzepów) i dobrą hemozgodnością (biozgodnością z krwią)

Włókna węglowe, biomateriały kompozytowe wzmacniane włóknami węglowymi o osnowie węglowej i węgiel szklisty cechują się dobrą biotolerancją i charakteryzują się korzystnym zespołem własności mechanicznych

- Biomateriały polimerowe

Powinny mieć następujące cechy:

• łatwość uzyskiwania powtarzalnej jakości materiału dla różnych partii wyrobów

• łatwość formowania, pozwalająca kształtować odmienną postać użytkową wyrobów bez degradacji tworzywa

• łatwość sterylizacji bez zmian własności lub kształtu

• odpowiednią jakość fizykochemiczną tworzywa i wyrobów finalnych

• nieinicjowanie odczynów toksycznych lub alergicznych

• biotolerancję w środowisku tkankowym

• odpowiednią trwałość funkcjonalną i niezawodność

W odniesieniu do zastosowań medycznych można je podzielić na naturalne i sztuczne.

Polimery naturalne wytworzone zostały w organizmach żywych jako składniki strukturalne tkanek. Do nich zaliczyć można białka (kolagen, fibrynogen, jedwab, wszczepy tkankowe) i wielocukry (celuloza, chityna).

Polimery sztuczne można podzielić na: silikony, politetrafluoroetylen, poliuretany, polietylen, polipropylen, politereftalen etylenu, polimetakrylan metylu, poliamidy.

Podstawowe grupy biomateriałów

• METALOWE

• Stale chromowo-niklowe

• Stopy w osnowie kobaltu

• Stopy tytanu

• Stopy z pamięcią kształtu

• CERAMICZNE

• BIOCERAMIKA(materiały ceramiczne resorbowane w organizmie,materiały z kontrolowaną reaktywnością powierzchniową,biomateriały obojętne)

• korundowa

• cyrkonowa

• fosforanowa

• hydroksyapatyt

• KOMPOZYTY

• Włókniste

• Cząstkowe

• Warstwowe

• nanokompozyty

• WĘGLOWE ( diament, grafit, sadza, włókno węglowe, węgiel pirolityczny, fulereny,nanorurki)

• POLIMERY

• Syntetyczne

• Naturalne

• Modyfikowane

• 5. Scharakteryzować wady i zalety biomaterialow (kompozyty, polimery, węglowe itd.)

POLIMERY

• Zalety

• łatwe w produkcji,

• duże możliwości sterowania właściwościami,

• duże możliwości w zakresie modyfikacji powierzchni,

• polimery resorbowalne,

• parametry fizyczne zbliżone do parametrów tkanek,

• otrzymywane w postaci włókien włóknin, porowatych gąbek, membran, siatek, plecionek

• poręczne chirurgiczne.

• Wady

• trudne do sterylizacji,

• nieodporne na działanie temperatury – zmiana parametrów fizycznych wraz z temperatura,

• toksyczne produkty degradacji (polimery trwałe, niedegradowalne),

• zużycie cierne,

• niskie parametry mechaniczne.

KOMPOZYTY

• Zalety

• możliwość kształtowania własności mechanicznych,

• otrzymywanie materiałów osteoinduktywnych (bioaktywnych),

• Lżejsze konstrukcje od metalowych konstrukcji

• materiały implantacyjne o wyższej biozgodności właściwości fizycznych w porównaniu z materiałami prostymi,

• wysoko-funkcjonalne protezy i ortezy, sprzęt rehabilitacyjny.

• Wady

• układy wielofazowe o słabo rozpoznanej degradacji, problemy związane z toksycznością produktów degradacji,

• wysoka cena.

CERAMIKA

• Zalety

• porowatość umożliwiająca wrastanie tkanek

• odporność na ściskanie

• wytrzymałość na korozję

• większa biotolerancja w środowisku tkankowym

• odporność na odkształcenia

• odporność na obciążenia dynamiczne

• Wady

• Kruchość

• Mała wytrzymałośc na zginanie

MATERIAŁY METALOWE

• Zalety

• Wysoka odporność na korozję zmęczeniową

• Odporne na kruche pękanie

• Wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie

• Wady

• Korozyjność

MATERIAŁY WĘGLOWE

• Zalety

• dobra biotolerancja

• dobre własnościami fizykochemiczne

• odporność na promieniowanie jonizujące i niejonizujące

• atrombogenność (własność materiału eliminująca powstawanie skrzepów) i dobra hemozgodność (biozgodnością z krwią).

• Wady

6. METODY BADAŃ BIOMATERIAŁÓW

Badanie In vivo

Dobór zwierząt doświadczalnych w zależności od celu stawianemu badanemu materiałowi.

Opracowanie odpowiedniej techniki operacyjnej.

Obserwacje śródoperacyjne.

Dobór badań pooperacyjnych, oceniających miejscową i ogólną odpowiedź organizmu na wszczepiony materiał.

Prowadzone w tkance zwierzęcia przez różne okresy czasu do 12 tygodni lub powyżej.

Badania podstawowe:

• tkanka podskórna,

• wewnątrz-mięśniowo,

• wewnątrz –szpikowo,

• do kości korowej.

Badania funkcjonalne, w warunkach zbliżonych do późniejszego zastosowania.

Wykonywane jedynie po uzyskaniu niezbędnej zgody Lokalnej Komisji Bioetycznej.

BADANIE IN VITRO

Dane Wejściowe: rodzaj i funkcja implantu, tkanka do której jest przeznaczony – charakterystyka mikrostrukturalna, mechaniczna, czas przebywania w organizmie

Model badań w sztucznym środowisku biologicznym:

• środowisko płynów ustrojowych,

• temperatura ciała ludzkiego, tj. ok. 40⁰C,

• obciążenia statyczne lub dynamiczne o liczbie cykli wynikającej z rodzaju implantu o wielkościach fizjologicznych lub wyższych.

Można zbadać:

• właściwości mechaniczne – wytrzymałość (badania statyczne i zmęczeniowe),

• właściwości trybologiczne, tarcie i jego produkty,

• skład chemiczny, skład fazowy,

• mikrostruktura, porowatość,

• stopień krystaliczności.

7. Scharakteryzować obszar wiedzy wchodzący w skład nauki o biomaterialach(chemia, mechanika,anatomia, itd) – interdyscyplinarność

Anatomia

Materiały bioceramiczne: - tworzywa kruche o małej wytrzymałości na zginanie, nieodporne na obciążenia dynamiczne i nie wykazuja odkształcalności , duża twardość oraz odporność na ścieranie oraz korozje w środowisku tkanek i płynów ustrojowych, minimalizują lecz nie eliminują zużywania się materiałów bioceramicznych po długotrwałym użytkowaniu; produkty zużycia tej grupy materiałów nie wywołują znacznych odczynów toksycznych i alergicznych, co decyduje o dobrej biotolerancji bioceramiki w organizmie . Największą zaletą bioceramiki jest to że przy odpowiedniej porowatości powierzchni wzrasta w nie tkanka. Do porów o regulowanej wielkości wrastają unaczynione tkanki miękkie oraz kapilary z osteocytami. Na bazie ceramicznego rusztowania rozwija się nowa zregenerowana kość. Bioceramika ma ponadto porównywalna z kością gęstość i współczynnik tarcia. Bezporowata ceramika znalazła zastosowanie na elementy endoprotez stawowych w szczególności na główki osadzone na trzpieniu. Wyróżnia się 3 kategorie materiałów bioceramicznych: a) materiały ceramiczne resorbowane w organizmie - materiały z kontrolowaną reaktywnością powierzchniową - biomateriały obojętne

W odniesieniu do zastosowań medycznych można je podzielic na naturalne i sztuczne. Do naturalnych można zaliczyć białka( kolagen, fibrynogen, jedwab) i wielocukry: celuloza, chityna. )

- silikony- chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna; politetrafluoroetylen – protezy naczyniowe,nici chirurgiczne; poliuretany – elementy sztucznego serca, protezy naczyniowe o małym przekroju; polietylen – chirurgia plastyczna i rekonstrukcyjna, cewniki , głowni i panewki endoprotez stawowych; polipropylen – nici chirurgiczne, siatki; politetratalen etylu- protezy naczyniowe; poliamidy – nici i siatki chirurgiczne.

Biomateriały węglowe: dobra biozgodność w środowisku tkanek;obojętność elektryczna warunkująca dobrą hemozgodnosc; dobre wł fizykochem; odporność na działanie promieniowania jonizującego i niejonizującego. Biomateriały węglowe jako materiały funkcjonalne można podzielić na: warstwy węglowe, materiały kompozytowe. Implanty węglowe stosowane są głownie na protezy ścięgien i wiązadeł oraz elementy zespalające kości.

biomateriały ceramiczne hydroksyapatytowe przez strefę miedzy warstwową łącza się z tkanką kostną. Stosowane sa do uzupełniania ubytków miazgi zębowej i szkliwa, ubytków kostnych w szczęce i żuchwie lub dnie oczodołu, a w postaci warstw powierzchniowych na długotrwałe endoprotezy stawowe i wszczepy stomatologiczne. Do materiałów z kontrolowaną reaktywnością w tkankach należą bios zła i materiały bioszklano-ceramiczne spełniające nast.

Implanty węglowe stosowane sa głównie na protezy ścięgien oraz wiązadeł , elementy zespalające kości. Włókna weglowe, biomateriały kompozytowe wzmacniane włoknami węglowymi o osnowie węglowej i węgiel szklisty cechują się dobrą biotolerancją i korzystne wl fizykochem. Zastosowanie: endoprotezy, elementy do zespalania odłamów kości, uzębienia, sztuczne zastawki serca i protezy więzadeł oraz do operacji okołostawowych.

8. Biomateriały stosowane w stomatologii – wady i zalety

Implanty medyczne – zastosowanie

- chirurgia kostna wewnetrzna, stabilizacja ( śruby, płytki, gwoździe, klamry)

- endoprotetyka stawu biodrowego, kolanowego i barkowego

- stomatologia, chirurgia szczękowo-twarzowa (implanty stomatologiczne, ortodontyczne, stabiizacja wewnętrzna)

- kardiochirurgia : stenty, zastawki serca

Własnosci mechaniczne

- wytrzymałość na rozciaganie: 400-900MPa, modul sprężystości : 60-150GPa

- kosc zbita (korowa) – wytrzymałość na rozciąganie: 80-100MPa, modul sprężystości 15-20 GPa

- kość beleczkowa – wytrzymałość na ściskanie 1-30 MPa, modul sprężystości do 1,5 GPa

• biomateriały metalowe

Stopy kobaltu

- wprowadzenie na rynek w 1929 roku pod nazwą Vitallium. Stop ten opracowany został do celów chirurgii stomatologicznej,

Ze względu na skład chemiczny stopy odlewnicze typu Vitallium stosowane w chirurgii narządów ruchu są stopami Co-Cr-Mo o zawartości węgla do 0.35%.

Zawartości chromu i molibdenu w tych stopach są tak dobrane, by osnową stopów był roztwór β-Co o strukturze A1.

Chrom przede wszystkim podwyższa odporność na korozję stopów. Molibden wpływa na rozdrobnienie ziarna oraz umocnienie osnowy.

Stopy Co-Cr-Mo stosowane są przede wszystkim do odlewania protez szkieletowych, protez klamrowych i protez mocowanych na zasuwy, rygle i zatrzaski. Dzięki obniżonej zawartości węgla nadają się do spawania laserowego.

Stopów objętych normą ISO nie stosuje się do rekonstrukcji metalowo-ceramicznych.

Ponadto stopy zawierające wolfram cechują się, w porównaniu do stopów Co-Cr-Mo, niższą grubością warstwy utlenionej powstającej w procesie wytwarzania elementu, co sprzyja połączeniu z ceramiką.

Z tego względu przeznaczone są do wypalania ceramiki bezpośrednio na powierzchni metalu lub do pokrywania akrylem. Wykonuje się z nich konstrukcje szkieletowe, korony i mosty.

Stopy niklu

Stopy niklu stosowane są alternatywnie do stopów kobaltu. Niestety część populacji, w tym w większym stopniu kobiety niż mężczyźni, jest uczulona na związki niklu. Dlatego stopy niklu, pomimo korzystnych właściwośc imechanicznych i bardzo dobrej odporności na korozję stosowane są rzadziej niż stopy kobaltu.Skład chemiczny odlewniczych stopów niklu do stosowania przy wytwarzaniu dentystycznych rekonstrukcji ruchomych określa norma ISO 6871-2. Zgodnie z zaleceniem tej normy stopy muszą zawierać (masowo):

• nikiel – jako składnik główny,

• chrom – min. 20%,

• molibden – min. 4%,

Ni+Co+Cr – min. 85%.

Odlewnicze stopy niklu podobnie jak stopy kobaltu cechują się niską przewodnością cieplną co powoduje, że pacjent nie odczuwa w sposób gwałtowny zmiany temperatury pożywienia w przypadku posiadania koron lub mostu. Można je też stosować na częściowe protezy zębowe w połączeniu z innymi materiałami.

Dają komfort użytkowania bez oddziaływania na smak pożywienia. Stopy po polerowaniu uzyskują bardzo dobry połysk, korony i mosty mogą być pokrywane ceramiką lub akrylem. Ich właściwości mechaniczne są porównywalne z właściwościami stopów kobaltu

Stopy tytanu - zalety

Ograniczeniem dla szerokiego zastosowania w protetyce stomatologicznej stopów tytanu były poważne trudności z wykonaniem odlewu. Tytan utlenia się bowiem silnie w wysokiej temperaturze.

Podczas odlewania metodą traconego wosku zachodzą reakcje pomiędzy metalem a formą, prowadzące do zanieczyszczenia powierzchni odlewu.

Wzrost zawartości tlenu w warstwie wierzchniej powoduje podwyższenie twardości i kruchości stopu, inne zanieczyszczenia powodują wzrost niejednorodności mikrostruktury oraz mikrosegregację podczas krzepnięcia, a w konsekwencji obniżenie odporności na korozję oraz biozgodności. W procesie wytwarzania wymagana więc jest atmosfera ochronna lub próżnia, natomiast przeróbka plastyczna musi być prowadzona przy temperaturze poniżej 925°C.

-Dwie odmiany alotropowe heksagonalna 820°C, regularna trwała 1668°C

-Dobra odporność na korozję

-stopy tytanu nowej generacji o niskim module sprężystości to stopy zawierające: molibden, cyrkon, żelazo lub molibden, cyrkon, glin lub niob, tantal i pallad oraz niob i cyrkon

- zaletą jest wysoka biotolerancja i duża odporność zmęczeniowa, dobra odporność na ścieranie

- stopy tytanu z niklem i kobaltem są stosowane na implanty z pamięcią kształtu

Stopy złota

Czyste złoto charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na korozję w jamie ustnej, ale dość niską twardością. Dlatego we współczesnej stomatologii stosowane są stopy, w których złoto jest głównym składnikiem albo jednym z ważniejszych dodatków stopowych, posiadające wyższe właściwości mechaniczne niż czysty metal.

Stopy złota wytwarzane są z innymi szlachetnymi metalami: platyną, palladem, srebrem oraz dodatkami nieszlachetnych metali: miedzi, cynku, możliwie małymi ilościami cyny, niklu.

Stopy złota w porównaniu do stopów metali nieszlachetnych charakteryzują się znacznie wyższą gęstością (dwukrotnie wyższą niż stopy kobaltu lub niklu i prawie czterokrotnie wyższą niż stopy tytanu), niższą twardością i wytrzymałością, porównywalnym lub nieco wyższym współczynnikiem rozszerzalności - są to właściwości mniej korzystne.

Natomiast zaletami stopów szlachetnych są: niższa temperatura topnienia, dobra przyczepność ceramiki po utlenianiu wysokotemperaturowym (oksydacji) powierzchni stopu, wysoka biozgodność i bardzo dobra odporność na korozję w środowisku jamy ustnej.

Stopy złota, które stanowią bazę podkładową dla ceramiki, bardzo dokładnie przylegają do tkanek zęba, co w bardzo dużym stopniu zapobiega próchnicy, a także nie powoduje infekcji. Korony i mosty ceramiczne na stopach złota poprawiają kosmetykę zębów przebarwionych, odłupanych, niewłaściwie ukształtowanych, z wieloma wypełnieniami.

Stopy palladu

Głównym dodatkiem stopowym w stopach palladu jest srebro. Stopy pallad – miedź, podobnie jak złoto -miedź są obecnie rzadko stosowane

Stopy palladu charakteryzują się niższą gęstością niż stopy złota i nieco wyższą temperaturą topnienia. Właściwości mechaniczne i technologiczne tych stopów są porównywalne z właściwościami stopów złota. Dobre właściwości mechaniczne, odporność na korozję i biozgodność przy niższej cenie sprawia, że stopy te są chętnie stosowane zarówno na konstrukcje metalowe jak i metalowo-ceramiczne.

Amalgamaty

Amalgamaty dentystyczne to stopy metali z rtęcią do wypełniania ubytków.

Stop na amalgamat dentystyczny ma postać drobnych cząstek, złożonych głównie ze srebra, cyny i miedzi. Skład chemiczny stopów do przygotowania amalgamatów obejmuje norma PN-EN ISO 155913

Ponieważ amalgamat nie wiąże się z zębiną i szkliwem, wypełnienie tworzy połączenie mechaniczne z powierzchnią ubytku. Dla zwiększenia trwałości połączenia i zmniejszenia szczeliny brzeżnej pomiędzy amalgamatem a ubytkiem stosuje się wiążące materiały adhezyjne oparte na kompozytach.

Pomimo intensywnego rozwoju materiałów niemetalowych do wypełnień, amalgamaty stosowane są nadal w wypełnieniach ubytków.

Amalgamaty stosowane są ze względu na: dużą trwałość, Amalgamaty stosowane są ze względu na: duŜą trwałość, łatwość zakładania do ubytków, trwałość kształtu, długotrwałe działanie bakteriobójcze, względną odporność na wilgoć podczas zakładania wypełnienia oraz krótszy czas potrzebny na założenie w porównaniu z innymi materiałami, niski koszt.

Wadą amalgamatów jest nieestetyczny wygląd, dlatego stosowane są obecnie tylko do wypełnień w zębach przedtrzonowych i trzonowych. Do innych wad należy zaliczyć znaczne przewodnictwo cieplne, udział w procesach galwanicznych w jamie ustnej oraz możliwość przebarwiania zębów.

Często podnoszonym zastrzeżeniem odnośnie amalgamatów jest zagrożenie toksyczne rtęcią. Przeciętny pacjent absorbuje ze swoich wypełnień amalgamatowych 1–2 mg rtęci na dobę. Stanowi to tylko 10% normalnego dziennego pochłaniania tego pierwiastka z powietrza, wody i pożywienia.

Stopy lutownicze

Stopy lutownicze służą do trwałego łączenia elementów metalowych na przykład podczas wytwarzania mostów, protez częściowych z klamrami, łuków ortodontycznych itp. W stomatologii stosuje się technologię lutowania twardego, przeprowadzanego przy temperaturze ponad 400⁰C.

Skład chemiczny lutu (lutowia) zależy od rodzaju lutowanych materiałów. Podstawowe rodzaje lutów stosowanych do celów stomatologicznych to stopy złota i srebra do lutowania stopów z metali szlachetnych oraz stopy kobaltu i niklu do lutowania stopów z metali nieszlachetnych. Stosowane są również luty zawierające metale szlachetne do lutowania stopów kobaltu bądź niklu

Właściwości wymagane od materiałów do lutowania to:

• temperatura likwidus niższa niż solidus materiału lutowanego,

• dobra zwilżalność i płynność,

• odporność na korozję.

9. MATERIAŁY CERAMICZNE- wady i zalety

Materiał nieorganiczne, otrzymywane z reguły w wysokich temperaturach. Charakteryzują się budową amorficzną lub krystaliczną

• Właściwości mechaniczne

• wysoki moduł sprężystości,

• niska wytrzymałość na rozciąganie,

• odporne chemicznie,

• dobre izolatory termiczne i elektryczne,

• wysoka twardość,

• materiały kruche,

• wysoka granica plastyczności,

• mechanizm niszczenia charakterystyczny dla materiałów kruchych,

• niska energia pękania. gęstość 1.8-9.7 g/cm³,

• odporność na wysokie temperatury (110-160⁰C) i odporność chemiczna,

• przewodność cieplna 1.1-200 w/m,

• wytrzymałość i porowatość (nasiąkliwość materiału)

• opór elektryczny skrośny 1011-1016 Ω/cm przy 20⁰C

• opór elektryczny powierzchniowy 1010 Ω

• trudno obrabialne

materiały ceramiczne są to tworzywa kruche o małej wytrzymałości na zginanie.

Są nieodporne na obciążenia dynamiczne i nie wykazują odkształcalności.

Duża twardość oraz odporność na ścieranie oraz korozje w środowisku tkanek i płynów ustrojowych minimalizują, lecz nie eliminują zużywania się materiałów bioceramicznych po długotrwałym użytkowaniu.

Produkty zużycia tej grupy materiałów nie wywołują znacznych odczynów toksycznych i alergicznych, co decyduje o dobrej biotolerancji bioceramiki w organizmie.

Największą zaletą bioceramiki jest to, że przy odpowiedniej porowatości powierzchni wrasta w nie tkanka. Do porów o regulowanej wielkości wrastają unaczynione tkanki miękkie oraz kapilary z osteocytami. Na bazie więc ceramicznego rusztowania rozwija się nowa, zregenerowana kość.

Bioceramika ponadto ma porównywalną z kością gęstość i współczynnik tarcia.

Bezporowata ceramika znalazła zastosowanie na elementy endoprotez stawowych, w szczególności na główki osadzone na trzpieniu.

• Podział:

• biomateriały obojętne,

• materiały z kontrolowaną reaktywnością powierzchniową,

• materiały ceramiczne resorbowane w organizmie.

• nieporowata - fiksacja morfologiczna (ceramika korundowa i cyrkonowa),

• porowata – fiksacja biologiczna (ceramika fosforanowa, korundowa, cyrkonowa),

• z aktywna powierzchnią – fiksacja bioaktywna (bioszkła, szkło – ceramika, hydroksyapatyt),

• resorbowalna – zastąpienie implantu tkanką kostną (TCP, sole fosforanowo - wapniowe).

• Korundowa

• Ceramika korundowa – zawiera 99.5% Al₂O₃

• wytrzymałość na zginanie 150 – 250 MPa,

• wytrzymałość na ściskanie 4000 – 5000 Mpa,

• moduł Younga 380 GPa,

• odporność na ścieranie < 0.001 mm³/h,

• współczynnik tarcia korund/korund – 0.05,

• twardość w skali Mohsa - 9 (diament 10),

• Niska odporność na kruche pękanie.

• Ceramika cyrkonowa – tlenek cyrkonu ZrO₂

• wytrzymałość na zginanie 800- 1000MPa (korund 250 MPa),

• wytrzymałość na ściskanie 1800-2000 Mpa,

• moduł Younga 150 GPa (korund 380 GPa),

• odporność na kruche pękanie opkoło dwukrotnie lepsza od korundu.

• Ceramika fosforanowa

Fosforany wapnia CaO-P₂O₅ oraz CaO-P₂O₅–H₂O są solami trójzasadowego kwasu ortofosforowego H₃PO_4, Słabo rozpuszczają się w wodzie, rozpuszczają się w kwasach. W związkach tych obecne są jony PO₄^3- oraz HPO₄^2- występujące w minerałach budujących kości i zęby.

TCP Ca₃(PO₄)₂ – najczęściej wykorzystywany syntetyczny fosforan wapnia z układu fazowego CaO-P₂O₅.

• Hydroksyapatyt ortofosforan wapnia o stosunku molowym Ca/P = 1.667, należy do grupy apatytów.

Apatyty izomorficzna grupa bezwodnych fosforanów wapnia; apatyt fluorowy, chlorowy, węglanowy i inne.

• Hydroksyapatyt stechiometryczny : Ca₁₀(PO₄)₆OH₂

Apatyty biologiczne – hydroksyapatyt niestechiometryczny

Apatyt kostny Ca_10-x/2(PO₄)_6-x(CO₃)_x(OH)₂ zawiera około:

1% Na, Mg, K, Sr, Zn, Ba, Cu, Al, Fe, F, Cl, Si.

Metody nanoszenia warstw ceramicznych na biomateriały metalowe:

- chemiczne i elektrochemiczne: trawienie, utlenianie anodowe, zol-żel, CVD

- biochemiczne

- fizyczne: natryskiwanie cieplne, obróbki jarzeniowe, implantacja jonowa, PVD

10. Własności materiałów węglowych w zależności od stopnia uporządkowania ich struktury.

DIAMENT - postac krystaliczna, nie przewodzi prądu, odporny na ścieranie, wysoka twardość, kruchość, odporny na temp, do obróbki twardych materiałów

• izolator, dobra przewodność ciepła

• bardzo wysoka twardość,

• przezroczysty,

• nie przewodzi prądu,

• Zastosowanie: biżuteria, cięcie twardych materiałów.

GRAFIT - przewodzi prąd, miękki, ścieralność, przewodzi ciepło, odporny na wysoką temp

Miękki, nieprzezroczysty, czarny, trwalszy od diamentu

Zastosowanie:

• smary do części maszyn pracujących w wysokich temperaturach,

• wyrób elektrod i tygli do topienia metali

• naczynia ognioodporne

• do ołowków

Węgiel pirolityczny

Otrzymywany przez rozkład węglowodorów lub polimerów w wysokich temperaturach. Jego struktura jest zbliżona do struktury grafitu.

Jest twardy, wytrzymały na uszkodzenia mechaniczne. odporność na ścieranie, duza wytrzymałość, nie powoduje krzepnięcia krwi, na pokrycia stentów, zastawek

Zastosowanie: implanty chirurgiczne.

• gładkość warstwy wierzchniej,

• odporność na ścieranie,

• stabilność w środowisku biologicznym (wysoka odporność chemiczna).

Mikrostruktura węgli pirolitycznych charakteryzuje się laminarną budową zbliżoną do grafitu, wielkość obszarów uporządkowanych zależy przede wszystkim od temperatury otrzymywania (im wyższa, tym wyższy stopień uporządkowania.

Właściwości biologiczne:

• wysoka tromborezystancja – materiał atrombogenny (biozgodny z krwią),

• adsorpcja na powierzchni tylko jednego białka krwi - albuminy,

• inhibitor (powstrzymuje lub hamuje) procesu zakrzepowego.

WĘGIEL BEZPOSTACIOWY

Powstaje przez spalanie węglowodorów przy niedostatecznym dostępie O₂, przez rozpylenie węgla w łuku elektrycznym, pirolizę naturalnych materiałów organicznych i polimerów syntetycznych w wysokich temperaturach.

WŁÓKNO WĘGLOWE – przewodzi prąd

Otrzymywane przez kolejne procesy utleniania i pirolizy poliahrylontrylu.

Zastosowanie:

• wyrób części rowerów (ramy),

• samochodów (felgi),

• samolotów,

• instrumentów muzycznych,

• wiosła wyczynowe, kaski,

• obuwie do snowboard’u.

FULLERENY

W czasie wytwarzania fullerenów w łuku elektrycznym stwierdzono tworzenie się na ujemnej elektrodzie iglastych kryształków, które jak się okazało, składały się z cząsteczek węgla w kształcie rurek o średnicy kilku nanometrów osiągających długość nawet do kilku milimetrów. Nanorurki otrzymywane są obecnie kilku różnymi metodami i stanowią obiekt szerokich badań ściśle naukowych i aplikacyjnych. W przybliżeniu są one 50000 razy cieńsze niż włos ludzki.

Pojedyncze nanorurki wykazują doskonałą wytrzymałość mechaniczną oraz znakomite przewodnictwo elektryczne i w odpowiednich warunkach efekt tranzystorowy w skali molekularnej. Zastosowanie nanorurek: nowe materiały wzmacniane przez nanorurki, adsorbenty, nośniki katalizatorów, ogniwa słoneczne. C60 – 20 pierścieni sześciokątnych oraz 12 pierścieni pięciokątnych (piłka nożna).

Właściwości fizyczne i chemiczne: dobrze rozpuszcza się w wodzie, barwa różowa.

Wykazują różną elektroujemność, mogą tworzyć związki z metalami alkaicznymi C70 – 25 pierścieni sześciokątnych oraz 12 pierścieni pięciokątnych (piłka do rugby).

Węgiel diamentopodobny

Warstwy diamentopodobne (mikrokrystality).

• brak uporządkowania dalekiego zasięgu (tzw. węgiel o średnim uporządkowaniu),

• atomy węgla w różnych koordynacjach, struktura trudna do identyfikacji,

• różne wiązania pomiędzy atomami węgla,

• różne postaci wodoru: atomowa, cząsteczkowa (do 50%).

• wysoka odporność chemiczna,

• przeświecalność, parametry optyczne i elektryczne zbliżone do diamentu,

• właściwości biologiczne podobne jak węgiel pirolityczny (sp2),

• materiał atrombogenny – biozgodne z krwią,

• niski współczynnik tarcia,

• niska ścieralność.

Postacie węgla

-Węgiel bezpostaciowy

powstaje przez spalanie węglowodorów przy niedostatecznym dostępie O₂, przez rozpylenie węgla w łuku elektrycznym, pirolizę naturalnych materiałów organicznych i polimerów syntetycznych w wysokich temperaturach.

- fulereny

Są wykrywane tylko w ilościach śladowych.

Kroto i Wallton w Sussex oraz Smalley i Curl w Houston rozpoczęli próby syntezy łancuchów węglowych i cyjanopoliynów które wystepują w atmosferze czerwonych gigantów 1990.

- węgiel pizolityczny

Piroliza: destylacja rozkładowa – proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi.

Zwykle w trakcie pirolizy bardziej złożone związki chemiczne wchodzące w skład pirolizowanej substancji ulegają rozkładowi do prostszych związków o mniejszej masie cząsteczkowej. W niektórych przypadkach jednak na skutek pirolizy powstają spieki, będące prostymi chemicznie, ale tworzącymi sieć przestrzenną materiałami o wielu interesujących własnościach fizycznych. Mechanizm przemian chemicznych zachodzących w trakcie pirolizy jest często złożony.

Rodzaje:

Węgiel pizolityczny typu LTIC – niskotemperaturowy wegiel izotropowy

Typu ULTIC niskotemperaturowy

DLC diamentopodobny

- nanorurki

60 000 MPa wytdzymalosc na rozciaganie

Wytrzymałość na ściskanie mała

Przewodność elektryczna jest

Wł cieplne są, 5 x lepiej niż metale

Nanorurkę węglową otrzymuje się przez dowolne zwinięcie struktury grafenu, grafen jest to pojedyncza płaszczyzna grafitu skladajaca się wyłącznie z atomow wegla o hybrydyzacji sp2 o strukturze podobnej do plastra miodu

Warstwy węglowe:

Charakteryzują się unikatową biozgodnością z krwią

W odróżnieniu od innych materiałów implantacyjnych nie indukują czynników krzepnięcia krwi.

Wykorzystywane na pokrycia dla implantów przeznaczonych dla kardiochirurgii.

Ze względu na odporność chemiczną, twardość oraz niski współczynnik tarcia, wykorzystywane również jako pokrycie elementów endoprotez.

11. Scharakteryzować główne rodzaje polimerow stosowanych jako biomaterialy.

POLIMERY

Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych.

Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.

• polimery syntetyczne - są to polimery pochodzące w 100% z syntezy chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów,

• polimery naturalne - są to polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białka, kwasy nukleinowe,

• polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np.: octan celulozy, białko modyfikowane, skrobia modyfikowana.

Polimery mogą się składać z fazy amorficznej i krystalicznej. Faza krystaliczna jest sztywna i ma wyższy moduł sprężystości od fazy amorficznej. Zwiększając udział fazy krystalicznej zwiększamy moduł sprężystości materiału.

Własności mechaniczne, np. wytrzymałość na zerwanie lub inne procesy niszczące, określone są m.in. przez:

• morfologię molekularną. Cechami istotnymi dla morfologii są: orientacja przestrzenna cząsteczek i powstawanie obszarów, w których cząsteczki wykazują uporządkowanie krystaliczne

• Wielkość cząsteczek

• rodzaju obróbki mechanicznej.

• Rodzaju obróbki cieplnej.

Zastosowanie w medycynie

• elementy endoprotez,

• cementy kostne,

• materiały do uzupełnienia ubytków kości,

• więzadła i ścięgna.

• protezy naczyń,

• elementy zastawek serca,

• elementy sztucznego serca,

• membrany obudowy pomp serca.

• soczewki kontaktowe,

• wewnątrz gałkowe implanty rogówki.

• Polimery niedegradowane

Polimery charakteryzujące się wysoką odpornością na działanie środowiska biologicznego.Najczęściej stosowanymi w medycynie polimerami niedegradowalnymi są:

• polietylen - PE,

• dostępny w postaci nisko, wysoko i ultra wysokiej masie cząsteczkowej,

• faza krystaliczna ok. 50%,

• odporny na działanie środowiska biologicznego,

• wysoka odporność na ścieranie

• posiada parametry mechaniczne znacznie wyższe w porównaniu z innymi polimerami medycznymi,

• biozgodny.

• Polimetakrylen metylu PMMA

• twarde, przeźroczyste,

• amorficzne,

• odporne chemicznie,

• biozgodne,

• wytrzymałe.

• Dwa składniki; proszek PMMA i ciekły monomer (inicjator polimeryzacji) - stosunek 2 : 1,

• czas wiązania 10 minut,

• siarczan baru – wizualizacja,

• antybiotyk,

• sterylizowany promieniowaniem radiacyjnym.

• politetrafluoroetylen -PTFE,

• Zbudowany z powtarzających się jednostek CF₂,

• bardzo wysoka odporność chemiczna,

• biozgodny,

• niski współczynnik tarcia,

• krystaliczny,

• wysokie parametry mechaniczne.

• Poliuretan

Polimer blokowy zbudowany z jednostek giętkich (poliole) i sztywnych (diizocjaniany, diole, diaminy) grupujących się w domeny. Łańcuchy zbudowane z dwóch typów segmentów połączone są pomiędzy sobą wiązaniami wodorowymi.

• segmenty giętkie wpływają na niską temperaturę zeszklenia, wysokie wydłużenie,

• segmenty sztywne wpływają na moduł sprężystości i wytrzymałość,

Polimery bezpostaciowe.

• Polimery degradowalne

• poliglikold,

• polilaktyd,

• koplimer laktyd/glkolid,

• polidioksan,

• polikaprolakton.

12. CZYM SIĘ RÓŻNI KOMPOZYT OD NANOKOMPOZYTU

Właściwości mechaniczne, optyczne, elektryczne oraz termiczne nanokompozytów są znacznie lepsze w porównaniu do tradycyjnych kompozytów. Przy czym wprowadzenie do matrycy polimerowej nanododatku w ilości 3-5% wystarcza, aby osiągnąć określone, wysokie właściwości nanokompozytu,

Te właściwości związane są m.in. ze zwiększoną powierzchnią oddziaływania pomiędzy składnikami kompozytu (między nanododatkiem a osnową) oraz specyficznymi właściwościami nanododatku.

Wprowadzenie do matrycy polimerowej nanododatku, w zależności od jego rodzaju ma na celu nadanie kompozytom odpowiednich właściwości mechanicznych, termicznych, optycznych, powierzchniowych bądź biologicznych. Uzyskiwane znacznie lepsze właściwości nanokompozytów uzależnione są przede wszystkim od:

• kształtu i rozmiaru cząstek nanododatku,

• powierzchni właściwej,

• Stopnia rozwinięcia powierzchni,

• energii powierzchniowej,

• Sposobu przestrzennego rozmieszczenia nanocząstek w matrycy.

Nanokompozyty w medycynie

W leczeniu tkanek miękkich, jako nosniki leków, materiałów opatrunkowych, podlozy dla inżynierii tkankowej

Nanokompozyty

Material dwufazowy w którym w polimerowej osnowie są równomiernie rozmiesczone cząstki napełniacza przy czym przynajmniej jeden z wymiarów tych cząstek nie przekracza kilku nanometrów.

Rodzaje nanokompozytów:

W zależności od tego ile wymiarów cząstek napełniacza nie przekracza kilku nanometrów wyroznia się 3 rodzaje nanokompozytów.

Wszystkie 3 wymiary czastek napełniacza wynoszą kilka nanometrów, takimi napelnoaczami sa m.in. wytrącony di tlenek krzemu i kulki di tlenku krzemu.

Tylko dwa wymiary cząstek napełniacza wynoszą kilka nanometrów, do takich napełniaczy zalicza się m. In nanorurki i whiskersy

13. Funkcje osnowy i wypelniacza w kompozycie.

FUNKCJE OSNOWY

• utrzymuje razem wypełniacz,

• zapewnia wytrzymałość na ściskanie,

• przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,

• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć,

• nadaje wyrobom żądany kształt

FUNKCJE WYPEŁNIACZA

• poprawia określone właściwości mechaniczne i/lub użytkowe wyrobu,

• zmniejsza koszt wsadu surowcowego (dotyczy to napełniaczy proszkowych)

Kompozyty

Najczęściej jeden z komponentów stanowi osnowę, która gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi tzw wypełniacz lub komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

Biomateriałom można nadac szereg cennych, z medycznego punktu widzenia, właściwości jeżeli wytworzy się je w formie kompozytu.

Zatem aby poprawić funkcjonalnośc lub/i biozgodność materiałów tworzy się kompozycje z dwóch lub więcej materiałów prostych czyli kompozyty.

Funkcje osnowy: utrzymuje razem wypełniacz, zapewnia wytrzymałość na sciskanie, przenosi naprężenie zew na zbrojenie

Materialy na osnowę:

- polietylen

Dostępny w postaci nisko, wysoko i ultra wysokiej masie cząsteczkowej.

Faza krystaliczna ok. 50%

Odporny na dzialanie środowiska biologicznego

Wysoka odporność na ścieranie

- polotetrafluoroetylen

Zbudowany z powtarzających się jednostek CF

Bardzo wysoka odporność chemiczna

Biozgodny

Niski współczynnik tarcia

Krystaliczny

Wysokie parametry mechaniczne

Podzial kompozytów ze względu na budowę

- włókniste – w których osnowa zawiera włokna ciągłe lub krótkie

- cząstkowe – zawiera cząstki kuliste lub płytkowe

Duze możliwości kształtowania wl materiału

Lżejsze konstrukcje od metalowych konstrukcji

Wady : koszt, recykling, trudno ocenic jak będzie się degradował w organizmie

- warstwowe – osnowa pokryta warstwą innego materialu

14. Korozja implantow metalicznych- rodzaje i sposoby zapobiegania

RODZAJE KOROZJI IMPLANTÓW METALICZNYCH

W środowisku organizmu mamy głównie do czynienia z korozją elektrochemiczną, która jest skutkiem przebywania implantu w ciele ludzkim. Korozja implantów metalicznych może także występować jako:

• wżerowa,

• naprężeniowa,

• szczelinowa,

• zmęczeniowa.

KOROZJA ELEKTROCHEMCZNA

korozja metali spowodowana procesami elektrochemicznymi, zachodząca wskutek występowania różnych potencjałów na powierzchni korodującego obiektu, znajdującego się w środowisku elektrolitu. W takiej sytuacji powstają ogniwa korozyjne, w których fragmenty powierzchni metalu o niższym potencjale są anodami – zachodzi na nich utlenianie metalu, przechodzącego do roztworu. Na katodach ogniw korozyjnych zachodzą reakcje redukcji tzw. depolaryzatora, którym jest często cząsteczkowy tlen z powietrza (depolaryzacja tlenowa) lub jony wodorowe (depolaryzacja wodorowa), ulegające redukcji do wodoru gazowego.

Różnice między potencjałami poszczególnych fragmentów korodującej powierzchni mogą być związane z różnicami:

• chemicznego składu stopu,

• zagęszczenia i rodzaju defektów sieci krystalicznej stopu (naprężenia wewnętrzne),

• wielkości i rodzaju naprężeń spowodowanych zewnętrznym obciążeniem,

• chemicznego składu elektrolitu (np. stopnia zasolenia),

W wielu przypadkach kierunek przemian i ich szybkość zależą również od innych czynników, np. oddziaływań fizycznych (tj. zewnętrzne pole elektryczne, promieniowanie) lub mikrobiologicznych.

Korozja wżerowa

Korozja występująca tylko w pewnych miejscach w postaci plam lub wżerów często sięgając głęboko w materiał. Korozja wżerowa polega na tworzeniu lokalnych wżerów w wyniku zainicjowania reakcji anodowej przez jony aktywujące i reakcji katodowej w obecności czynników utleniających. Dno wżeru jest anodą i zachodzi tam rozpuszczanie metalu. Otoczenie wżeru jest katodą i zachodzi tam redukcja tlenu. Narażone na nią są szczególnie metale, które normalnie się pasywują, na przykład stal nierdzewna i aluminium. Charakteryzuje się głębokim wnikaniem w metal przy stosunkowo niewielkich plamach na powierzchni.

Korozja naprężeniowa (pękanie korozyjne, pękanie sezonowe)

korozja lokalna zachodząca w materiale, w którym występują stałe naprężenia technologiczne lub eksploatacyjne. Korozja naprężeniowa występuje na skutek łącznego oddziaływania agresywnego środowiska i naprężeń mechanicznych na materiały podatne na ten typ korozji. Korozja prowadzi do pękania przedmiotów metalowych (np. stalowych, mosiężnych lub aluminiowych) lub polimerowych. Korozja metali ma charakter elektrochemiczny.

Korozja szczelinowa

Elektrochemiczna korozja lokalna powstająca w trudno dostępnych miejscach. Są na nią narażone wszelkie połączenia elementów, w których nie występuje przetopienie łączonych powierzchni, np. połączenia śrubowe i nitowe. Mechanizm powstawania korozji szczelinowej rozpoczyna się po zużyciu tlenu w trudno dostępnym otoczeniu szczeliny. Efektem procesu jest osadzanie się trudno rozpuszczalnych związków na wylocie szczeliny i łatwo rozpuszczalnych soli wewnątrz niej – zakwaszających środowisko korozyjne szczeliny

Korozja zmęczeniowa

Jest wynikiem współdziałania korozji elektrochemicznej oraz zmiennych naprężeń spowodowanych powstaniem ostrych wżerów przechodzących w pęknięcia wypełnione produktami korozji. Uszkodzenia spowodowane korozją zmęczeniową są znacznie większe niż suma uszkodzeń wynikających z samego naprężenia zmiennego i korozji elektrochemicznej.