WSTĘP 1.2014

BIOMATERIAŁY
Definicje, kryteria jakości, metody
badań
Definicja wg European Society
for Biomaterials
• Substancja inna niż lek lub kombinacja
substancji syntetycznych lub naturalnych,
która może być użyta w dowolnym czasie
jako część lub całość systemu, zastępując
tkankę lub organ, lub pełniąc jego funkcję.
Grupy biomateriałów
•
•
•
•
•
Metalowe
Ceramiczne
Polimerowe
Węglowe
Kompozytowe
Implant
• Wszelkie przyrządy medyczne
wykonywane z jednego lub więcej
biomateriałów, które mogą być
umieszczone wewnątrz organizmu, jak
również umieszczono częściowo lub
całkowicie pod powierzchnią nabłonka, i
które mogą pozostawać przez dłuższy czas
w organizmie.
Implant chirurgiczny
• Pojęcie używane w kontekście
umieszczania go w zamierzonym miejscu w
procedurze chirurgicznej. Istnieją także
implanty umieszczane innymi sposobami,
jak igły, dreny, sączki.
Proteza implantowa
• Inaczej: proteza wewnętrzna lub
endoproteza.
• Przyrząd, który fizycznie zastępuje organ
lub tkankę
Bioproteza
• Implantowana proteza wykonana w całości
lub częściowo z tkanek dawcy
Sztuczny organ
• Materiał medyczny, który zastępuje w
całości lub częściowo funkcje jednego z
organów ciała.
Implant ortopedyczny
• Stosowany, by wspomóc kość, chrząstkę,
więzadło ścięgna lub powiązane z nim
tkanki, albo zastępujący lub uzupełniający
tymczasowo brak na stałe tkanki.
Materiały dla ortopedii i
traumatologii
• Wszczepy biostatyczne: rusztowanie tworzące
odpowiednie warunki do odbudowy zniszczonej
tkanki kostnej (wkręty, płytki kostne, śruby o
okrsie użytkowania do 2 lat).
• Wszczepy biomechaniczne: złożone
konstrukcyjnie układy elementów, zastępujące
niektóre biomechanizmy narządów ruchu w
trakcie ich wieloletniego użytkowania (metalowe i
ceramiczne endoprotezy stawów dużych,
metalowe lub polimerowe endoprotezy stawów
małych, stabilizatory kręgosłupa).
Implant ustny
• Mechanizm stosowany w obszarze jamy
ustnej, zawierający szczękę, żuchwę lub
staw skroniowo-żuchwowy, implantowany
po to, by poprawić, zwiększyć lub zastąpić
jakąkolwiek twardą lub miękką tkankę.
Implant czaszkowo-twarzowy
• Mechanizm stosowany w obszarze
czaszkowo-twarzowym, wyłączając obszar
jamy ustnej, który ma na celu poprawienie
lub zastąpienie określonych tkanek
twardych lub miękkich z wyjątkiem mózgu,
oczu i ucha wewnętrznego.
Materiały dla chirurgii
trwarzowo-szczękowej
• Do uzupełnienia ubytków pokrywy czaszki
oraz jako stabilizatory złamanych kości.
• Niewielkie wymagania odnośnie
właściwości mechanicznych.
• Okres przebywania w organizmie do 2 lat.
• Wysoka odporność korozyjna.
Implant dentystyczny
• Rodzaj implantu ustnego stosowany do
uzupełnienia ubytku zęba.
Materiały dla stomatologii
• Do wytwarzania implantów zębowych, mostków
oraz uzupełnień.
• Wysoka odporność na ścieranie, odporność
korozyjne,określone i trwałe cechy estetyczne.
• Wszczepy śródkostne powinny ulegać stopniowej
resorpcji tak, aby zapewnić trwałe połączenie
pwostałej tkanki kostnej z metalowym trzonkiem,
na którym osadzona jest ceramiczna korona.
Materiały dla okulistyki
• Soczewki kontaktowe, keratoprotezy,
implanty bezpostaciowe.
• Materiały na soczewki: określone
właściwości fizyczne (optyczne), wysoka
przepuszczalność tlenu, dobra zwilżalność,
odporność na proteiny i śluz zawarty we
łzach, odporność na osadzanie się lipidów
na powierzchni soczewki.
Materiały mające kontakt z krwią
• Dla kardiochirurgii (szutczne sece,
zastawki).
• Brak materiału o pełnej zgodności
biologicznej z krwią.
• Implant: sztuczna krew.
Materiały do leczenia oparzeń i
zranień
• Sztuczna skóra.
• Przeszczepy regenerujące komórki
naskórka.
• Nici chirurgiczne.
• Kleje do tkanek.
• Siatki do przepuklin.
• Bioobojętne i degradowalne.
Materiały dla chirurgii
plastycznej (bioestetyczne)
• Protezy kończyn
• Protezy moczopłciowe.
• Protezy piersi, ucha itp., których brak nie
zagraża zdrowiu, ale wywołuje uczucie
dyskomfortu.
Materiały dla instrumentarium
chirurgicznego
• Dobre właściwości mechaniczne i
korozyjne.
• Łatwość sterylizacji.
Biotolerancja
(biokompatybilność)
• Zgodność biologiczna: harmonia interakcji
w obrębie materii ożywionej.
• Biomateriał o optymalnej biotolerancji nie
wywołuje ostrych lub chronicznych reakcji.
Badania biotolerancji
• In vitro – w warunkach laboratoryjnych w
celu określenia zachowania się komórek
ludzkich w obecności biomateriału
• In vivo – na zwierzętach doświadczalnych
w celu określenia zachowania się żywego
organizmu w kontakcie z biomateriałem
Szczegóły
• In vitro: wzrost, szybkość namnażania i
morfologia hodowli komórek ludzkich.
• In vivo wszczepienie biomateriału świnkom
morskim i obserwacje zachowania się w
porównaniu z grupą kontrolną
Reakcje organizmu
• Wchłanianie: tkanek i naczyń krwionośnych
do implantu
• Oddzielanie: odczyn zapalny i odrzucanie
• Otorbianie: wytworzenie tkanki otorbiającej
ciało
• Organizacja: wrastanie tkanki do implantu
Toksyczność i kancerogenność
• Wysoka bioinertność tytanu i glinu, niska –
żelaza i kobaltu.
• Toksyczność i kancerogenność.
Odporność korozyjna
• Środowisko korozyjne organizmu: płyny
ustrojowe – elektrolity pH 5,7 do 9.
• Szybkość korozji metalowych wszczepów:
10 do 0,01 m/a.
• Bionertność a rozpuzczalność produktów
korozji w tkankach (stężenie krytyczne).
• Wysoka odporność korozyjne – dobra
bioinertność i niska toksyczność.
Metody badań
• Korozja ogólna i wżerowa: krzywe polaryzacji
potencjokinetyczne, galwanokinetyczne,
potencjostatyczne, galwanostatyczne
• Korozja naprężeniowa: przy stałym odkształceniu,
stałym obciążeniu, stałej szybkości rozciągania
• Korozja szczelinowa: norma ASTM
• Zmęczenie korozyjne
• Korozja cierna
Stan powierzchni implantów
• Ważne: wszczepy długotrwałe.
• Silne połączenie przez m.in. wytworzenie
na powierzchni implantu porowatej
warstwy wierzchniej, o wielkość porów
100-150 m.
• Możliwy spadek odporności korozyjnej;
rozwiązanie – pokrycie implantu
metalowego warstwą ceramiczną.
Obróbka powierzchniowa
•
•
•
•
Polerowanie elektrochemiczne i pasywacja.
Implantacja jonów.
Napylanie plazmowe.
Powłoki bioceramiczne nanoszone metodą
zol-żel.
• Powłoki typu DLC (diamentopodobne) oraz
NLC (nanokrystaliczne) otrzymywane
metodami PVD, CVD.
Wpływ chropowatości
• Im mniejsza chropowatość, tym większa
odporność korozyjna.
• Rozwiązanie: warstwy bioceramiczne na
metalowych implantach: metal stanowi
rusztowanie przenoszące naprężenia
mechaniczne, ceramika zapewnia
odporność korozyjną, bioinertność i
oporność elektryczną.
Właściwości mechaniczne
• Określane właściwości: wytrzymałość na
rozciąganie, granica plastyczności,
wydłużenie (plastyczność), moduł
sprężystości, twardość, wytrzymałość
zmęczeniowa.
• Dla biomateriałów pokrytych warstwami:
adhezja.
Inne wymagania
• Odporność na zużycie ścierne.
• Niska gęstość implantu.
• Odporność na korozję naprężeniową.
Właściwości magnetyczne
• Niedopuszczalna obecność faz
ferromagnetycznych.
• Implant powinien być paramagnetykiem lub
diamagnetykiem oraz nie powinien
przewodzić prądu.
• Możliwe występowanie w stopach faz
ferromagnetycznych: ferrytu, martenzytu
fazy ` w stopach tytanu.