biomaterialy

2009-05-31
Biomateriały
†
biomateriał
– Słowo nie zostało jeszcze zauważone przez twórców polskich
drukowanych słowników i encyklopedii (jedynie internetowa
encyklopedia PWN oraz podręcznik inżynierii materiałowej
podają jego znaczenie: dowolny materiał lub kombinacja
materiałów (ale nie lekarstwo), które mogą być użyte, jako
część systemu leczącego lub zastępującego dowolną tkankę,
organ lub funkcję organizmu (L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o
materiałach i metaloznawstwo, 2002).
– Materiał użyty do budowy sztucznych organów, urządzeń
rehabilitacyjnych lub protez i zastępujący naturalne tkanki
(The American Heritage® Medical Dictionary, 2007);
– Syntetyczny materiał zastępujący część żywego układu lub
działający w kontakcie z żyjącymi tkankami (Park, 1995);
Biomateriały
Materiały metaliczne
Stale i stopy
Stale austenityczne
Stopy na osnowie kobaltu
Tytan i jego stopy
Stopy z pamięcią kształtu
Bioceramika
Resorbowalna w organizmie
Z kontrolowaną reaktywnością
Obojętne
Polimery
Syntetyczne
Biostabilne
Biodegradowalne
Naturalne
Proteiny
Polisacharydy
y y
Szkła
Kompozyty
1
2009-05-31
Biomateriały
Biomateriał może być syntetyczny lub
naturalny, może być ciałem stałym lub cieczą.
† Bardzo wiele najnowszych biomateriałów to
kompozyty.
† Biomateriały powinny być samo-naprawiające
się.
się
†
Biomateriały metaliczne
Stopy: Au-Cu-Ag,
Au-Cu-Ag-Pt-Pd
Ti-6Al-4V,, Ti
Korony,
Stal 316L
mostki
Stopy Ti-Ni
Ti,
Stopy Ti-6Al-4V
Stopy Ti-6Al-7Nb
Implanty
denstystyczne
Stenty
Elektrody: stop Pt-Ir , Ti
Obudowa: Ti, Ti-6Al-4V
Rozrusznik serca
Stopy Ti-6Al-4V
Stal 316L
Stopy Ti-6Al-7Nb
Stopy Ti-6Al-4V
Stopy Co-Cr
Stal 316L
Płytki kostne
Endoprotezy
Na podstawie: S. Hiromoto, Interface, Summer 2008, 41
2
2009-05-31
Bioceramika
Obojętna
† Al2O3
† ZrO2 – stabilizowany Y
lub Mg
Mikroporowata
(tworzenia naturalnego łączenia z
tkanką kostną) d
d>100-150
100 150 µm
• ceramika oparta na
fosforanach wapnia
• porowaty Al2O3
Bioaktywna
(międzyfazowe
połączenie
po
ąc e e implantu
p a tu z ttkanką)
a ą)
†
fosforany wapnia np.
fosforan trójwapniowy
(TCP)
Resorbowalna
• bioszkła
• hydroksyapatyt (HA)
• szkło-ceramika apatytowowollastonitowa
• kompozyty np.
HA+polietylen
Biomateriały polimerowe
SYNTETYCZE
BIODEGRADOWALNE
BIOSTABILNE
polilaktyd (PLA)
polietylen
poliglikolid (PGA)
polisulfon
polilaktyd glikolid (PLGA)
polipropylen
politetrafluoroetylen
poli (kaprolakton)
(PTFE)
poli (dioksan)
poliamidy
węglan trójmetylenowy
poliuretany
poli (ß-hydroksymaślan)
silikonyy
polil (g-etyloglutaminian)
(
l l
)
poliwęglany
politereftalan etylu poli (DTH iminowęglan)
polimery akrylowe poli (biofenolAiminowęglan)
NATURALNE
PROTEINY
kolagen
POLISACHARYDY
soja
fibrynogen
celuloza
kwas alginiowy,
alginiany
chityna
chitozan
kwas hialuronowy
poli (ortoester)
poli (cyjanoakrylan)
poli (fosfazen)
3
2009-05-31
Biomateriały
†
Jakie cechy powinien mieć biomateriał?
– Musi być biokompatybilny (nie może wywoływać
reakcji obronnej tkanek);
– Może być przy tym neutralny dla organizmu (nie
oddziałuje);
– Może być bioaktywny (oddziałuje z tkankami:
następuje integracja materiału z tkanką).
– Może być biodegradowalny (rozkładać się w
organiźmie);
– Musi mieć odpowiednie właściwości. Np. implant
kości nie może być ani słabszy, ani silniejszy niż
kość.
Historia
†
Powszechnie uważa się, że zastępowanie tkanek i
organów człowieka innymi materiałami
(biomateriałami) to bardzo młoda dziedzina wiedzy.
Czy to prawda?
– Prawdą jest, że systematyczne i celowe badania
nad biomateriałami to ostatnie 100 lat.
– Prawdą jest również, że od tysięcy lat człowiek
podejmował
d j
ł próby
ób (niejednokrotnie
( i j d k t i udane)
d
)
zastępowania brakujących lub uszkodzonych
części ciała innymi materiałami.
4
2009-05-31
Pierwsze szwy chirurgiczne
30000 p.n.e. ?
Istnieją dowody,
dowody że szwy stosowano już
32000 lat temu1.
† Papirus pochodzący z siedemnastego wieku
p.n.e. "Edwin Smith Papyrus"2, który
prawdopodobnie jest kopią starożytnego
podręcznika medycznego (3000-2500
(3000 2500 p.n.e.)
opisuje metodę zszywania brzegów rany
†
1 NATNEWS, 1983, 20(5): 15–7
2 http://www.touregypt.net/edwinsmithsurgical.htm#Case%20Twenty-Seven:
Pierwszy "implant" 7000
p.n.e.?
†
†
†
Człowiek z Kennewick, odkryty w 1996 roku nad
rzeką Kennewick w USA pochodzący z 7000 roku
p.n.e., to najstarszy znany przykład pełnej integracji
biomateriału z tkanką kostną (ostrze oszczepu
utkwiło w kości udowej, rzecz jasna, nie w celu
poprawienia właściwości kości).
W Rzymie odnaleziono dobrze zintegrowany z kością
ząb żelazny (100 n.e.).
ne)
Majowie stosowali implanty zębów wykonane z perły.
Również następowała pełna integracja z kością (600
n.e.).
Etruskie sztuczne zęby
5
2009-05-31
Nowsza historia
Theodore Gluck
Implant kości udowej
(kość słoniowa)
Branemark
Pierwszy implant
tytanowy
1891
1952
Charnley
Implant stawu
biodrowego
1961
1960 Starr-Edwards
Zastawka serca
Sir Harold Ridley
Implant soczewki
z PMMA
1949
Implant
pęcherza
Vacanti
Ucho
myszy
1998
1975
2006
Rheinwald et al.
Sztuczna skóra
Biomateriały: nauka
†
Nauka o biomateriałach to interdyscyplinarna
dziedzina pomiędzy medycyną, biologią,
fizyką, chemią, inżynierią materiałową,
elektroniką, mechaniką, etyką i nie tylko.
6
2009-05-31
Biomateriały: przemysł
Soczewki wewnątrzoczne
Soczewski kontaktowe
Wszczepy naczyniowe
Endoprotezy biodrowe i kolanowe
Cewniki
Zastawki serca
Stenty
Implanty piersi
Implanty dentystyczne
Rozruszniki serca
sztuk rocznie
7 mln.
75 mln.
400 tyś.
1 mln
300 mln.
200 tyś.
2 mln.
200 tyś.
300 tyś.
200 tyś.
Rynek 100 mld. dolarów, 1700 różnych typów przyrządów biomedycznych.
13
B.D. Ratner (An Introduction to Biomaterials), University of Washington Engineered Biomaterials
Wybrane przykłady
biomateriałów
7
2009-05-31
Funkcje biomateriałów
Dostarczanie
leków
Ortopedia:
śruby, płytki,
Polimery
Skóra, naczynie
krwionośne
Implanty oka
Kości
Metale
Syntetyczne
BIOMATERIAŁY
Ceramika
Zastawki
serca
Zęby
Zęby
Mikroelektrody
Półprzewodniki
Biosensory
Ewolucja biomateriałów
Pierwsza generacja: od 1950 r.
r
Cel: Bioobojętność;
† Druga generacja: od 1980 r.
Cel: Bioaktywność;
† Trzecia generacja: od 2000 r.
Cel: Bioaktywność i regeneracja tkanek.
†
8
2009-05-31
Biomateriały trzeciej
generacji
Biomateriał stanowi
chwilową strukturę
służącą do
wytworzenia
własnych tkanek
przez organizm.
i
Biomateriały trzeciej
generacji
†
Szkielet powinien spełniać następujące
warunki (poza biokompabitylnością i innymi
cechami obowiązkowymi dla biomateriału):
– Powinien tworzyć stabilną, porowatą,3D
strukturę;
– Nie powinien rozpuszczać się w wodzie
wodzie, ale
powinien się stopniowo biodegradować;
9
2009-05-31
Biomateriały na implanty
kości
†
†
Kość jest tkanką silnie unaczynioną i dynamiczną,
zmieniającą się w trakcie życia człowieka. Oprócz
oczywistych funkcji strukturalnych jest magazynem
wapnia i fosforu oraz odgrywa rolę w regulowaniu
koncentracji elektrolitów we krwi.
Najlepsza strategia leczenia dużych ubytków kości to
autoprzeszczepy (przeszczep kości z miejsc o
mniejszych obciążeniach,
obciążeniach np.
np żeber).
żeber) Ponieważ nie
zawsze jest to możliwe, zapotrzebowanie na
biomateriały zastępujące kość bardzo szybko
rośnie.
Biomateriały na
implanty kości
†
Celem jest aby biomateriał
stanowił szkielet, na którym
będzie tworzyć się kość. Po
pewnym czasie biomateriał
zostanie wchłonięty przez
organizm
g
i całkowicie
zastąpiony właściwą kością.
M.M. Stevens, Materials Today 111 (2008), 18.
10
2009-05-31
Biomateriały na
implanty kości
†
Przez ostatnie 20 lat
zbadano wiele materiałów.
Są to:
– Bioceramiki;
– Bioszkła;
– Naturalne lub
syntetyczne polimery;
– Hydrożele;
– Kompozyty.
M.M. Stevens, Materials Today 111 (2008), 18.
Biomateriały na
implanty kości:
Syntetyczne
biopolimery
†
†
†
Są to głównie liniowe, alifatyczne poliestry (poli-kwas
mlekowy, ang. polilactic acid PLA, poli-kwas
glikolowy PGA i ich kopolimery).
Od dawna są używane jako np. nici chirurgiczne. W
organizmie rozkładają się odpowiednio do kwasu
mlekowego i glikolowego.
Można je otrzymać w postaci włókien, mikrosfer,
warstw, zatem można z nich wytwarzać porowate
matryce implantów.
11
2009-05-31
Biomateriały na implanty kości: materiały
naturalne
Najlepszym
kandydatem jest
kolagen i produkty
bazujące na kolagenie.
† Inne przykłady:
– Jedwab (ale się za
wolno
l biodegraduje);
bi d
d j )
– Polisacharydy;
†
Biomateriały na implanty kości: Hydrożele
†
†
†
Hydrożele to też polimery,
polimery ale o szczególnych,
szczególnych
wyróżniających je właściwościach. To polimery
usieciowane zawierającedużo wody związanej między
łańcuchami. Mogą wypełniać ubytki tkanki kostnej o
nieregularnym kształcie.
Przykłady: glikol polietylenowy(PAG), lub kopolimer
PAG i diakrylamidu.
Kłopoty z biodegradowalnością.
12
2009-05-31
Biomateriały na implanty
kości: Ceramika i szkło
†
Główne bio- ceramiki i szkło to fosforan
wapnia (Ca3(PO4)2 - TCP), hydroksyapatyt
(Ca10(PO4)6 x (OH)2 - HA) i szkła krzemianowe
zawierające Ca i P. Wszystkie mają skład
podobny do mineralnych składników kości. Na
ich powierzchni, w organizmie powstaje
warstwa wiążąca się z tkanką. Mogą być być
ponadto źródłem jonów (Si) aktywujących
różnicowanie się komórek kości.
Biomateriały na implanty
kości
†
Przykłady technologii
wytwarzania
t
i porowatego
t
szkieletu
– Wypłukiwanie cząstek soli:
Drobno zmieloną sól miesza
się z roztworem polimeru. Po
odparowaniu rozpuszczalnika
yp
j się
ę w wodzie.
sól wypłukuje
– Separacja faz: obniżenie
temperatury powoduje
krystalizację rozpuszczalnika,
który może być następnie
usunięty.
P.X.Ma, Materials Today May 2004, 30.
13
2009-05-31
Biomateriały na implanty
kości
†
Nanotechnologia.
Nanotechnologia
– Stwierdzono, że najlepsze wyniki osiąga się, gdy
mikrostruktura biomateriału matrycy jest możliwie
podobna do kości. Tzn. gdy jest skali nano- (rzędu
50-500 nm).
P.X.Ma, Materials Today May 2004, 30.
Biomateriały zastępujące
inne tkanki
†
Podobne metody (wzrost
tkanki na sztucznej
matrycy) bada się w
stosunku do innych tkanek
aktywnych mechanicznie.
Np.
p chrząstki:
ą
Tkana matryca polimerowa (kwas poliglikolowy), na której powstanie
tkanka chrząstki.
Science 322 (2008), 1460
14
2009-05-31
Biomateriały zastępujące
inne tkanki
†
Freed i George Engelmayr Jr
Jr.
Wytworzyli niedawno sztuczną
tkankę mięśnia serca na bazie
matrycy o strukturze plastra
miodu, składającą się jak
akordeon. Komórki tkanki
orientują
ją się
ę w kierunkach
wyznaczonych przez
mikrostrukturę matrycy.
Polimerowa matryca zmusza komórki mięśniowe do
zorientowania się i działania w odpowiednim
kierunku.
Science 322 (2008), 1460
Biomateriały zastępujące
inne tkanki
Biomateriały służące jako podłoże i matryca
do wytworzenia skóry są w użyciu i
badaniach od 25 lat.
† Trzy główne materiały są wykorzystywane:
naturalny kolagen otrzymany z tkanki
ludzkiej, kolagen bydlęcy i nietkana matryca
polimerowa z kwasu poligalaktycznego.
†
Materials Today 11 (2008), 35
15
2009-05-31
Biomateriały zastępujące
inne tkanki
Biomateriały służące do regeneracji a nawet
zastąpienia neuronów są obecnie intensywnie
badane.
† Są to kanały prowadzące nerwy oraz matryce
z nanowłókien służące ułatwieniu regeneracji
nerwów. Rezultat: wyleczenie krótkich 10-20
10 20
mm uszkodzeń nerwów u myszy.
†
F. Johansson, et al., Biomaterials (2006) 27, 1251
16