Referat general J.M.B. nr. 1 2015

14

BIOMATERIALE CU APLICATII N MEDICINA

BIOMATERIALS WITH APPLICATIONS IN MEDICINE

Conf.univ.dr.fiz. Laura Floroian1, conf.univ.dr. Mihaela Badea

2,

prof. univ. dr. Iosif amot2 1Facultatea de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor,

Universitatea Transilvania din Braov 2Facultatea de Medicin, Universitatea Transilvania din Braov

Autor corespondent: Laura Floroian, email lauraf@unitbv.ro

Abstract:

Although recently accepted by the scientific community, the research into nanotechnologies and

biotechnologies are currently the priority directions for several prestigious international research laboratories

of physics, chemistry, medicine, molecular and cellular biology, study of materials and cybernetics. Field

became interdisciplinary and is booming, and the goal is to develop new technologies and high-performance

materials.

An important category of materials for nanotechnology and biotechnology is the biomaterials. They

are used to direct material, restore the functions of living systems supplement and have a major impact on

biomedical applications, particularly in the medical and pharmaceutical industry.

biomaterials, features of biomaterials, classification and performance of biomaterials Key-words:

Introducere

Biomaterialele au o istorie ndelungat, de cteva mii de ani. Scheletele sau mumiile din

culturile antice (Egipt, Babilonia, Grecia, Italia,

China, America Central i de Sud) au artat c diferite materiale, precum: aurul, argintul,

cuprul i plumbul, lemnul, sideful, fildeul, oasele sau dinii de cine, au fost utilizate pentru nlocuirea unor pri ale sistemului osos uman. Ele au fost folosite ns fr nici o cunotin de biocompatibilitate, termen ce a fost introdus cu

numai acum 50 de ani.

n prezent, printr-o definiie general acceptat de comunitatea tiinific interna-ional, biomaterialele sunt materialele destinate s fie n contact cu esuturile vii i/sau fluidele biologice, cu scopul de a evalua, trata, modifica

forma sau nlocui orice esut, organ sau funcie a organismului.

Interaciunea dintre materiale i sistemele biologice este dinamic i complex. Ea implic att rspunsul sistemului viu la aceste materiale (biocompatibilitate i bioactivitate), ct i rspunsul materialului la sistemul viu (biode-gradabilitate). Un biomaterial trebuie s aib caliti eseniale. Odat ce este implantat n organism, acesta trebuie s aib (exceptnd cazurile cnd biodegradabilitatea este cerut pentru aplicaii specifice) rezisten mecanic

(la abraziune i fracturi) i rezisten la coroziune (la disoluie chimic i coroziune electrochimic). Mai mult, biomaterialul i eventualii si produi de degradare trebuie: s nu fie responsabili de reacii inflamatorii, s nu fie susceptibili de generare de reacii alergice, s nu fie toxici, s nu fie mutagenici, s nu fie carcinogenici.

Biomaterialele trebuie s fie recunoscute i acceptate de celulele vii, s ajute n procesul natural de recuperare. innd cont de aceste condiii, numrul imens de posibile metale, compozite ceramice i polimeri este limitat drastic i pentru a mri acest numr, tiina biomaterialelor se canalizeaz pe trei direcii de cercetare [4]. Acestea sunt: producerea de

nlocuitori sintetici pentru esuturile biologice utiliznd matricele extracelulare artificiale

capabile s modeleze comportarea celular, sintetizarea de materiale folosind matrice

extracelulare artificiale pentru aplicaii biologice i medicale specifice, de exemplu materiale ce i memoreaz forma n funcie de temperatur, dezvoltarea de concepte noi de design pentru aplicaii in vitro (ex.: realizarea unui format n care exist un numr mare de acizi nucleici i proteine i care permite extragerea rapid a informaiei legate de comportarea genelor i funcia proteinei).

Referat general J.M.B. nr. 1 2015

15

Aplicaiile biomaterialelor Principalele arii n care biomaterialele au

aplicaii directe, sunt: implanturile, medicina regenerativ, ingineria esuturilor, eliberarea controlat de medicamente.

Creterea duratei de via a oamenilor este nsoit de efecte de deteriorare progresiv a sistemului osos, n special n zonele unde

solicitarea este maxim, la old i genunchi. Dup o anumit vrst scheletul osos sufer un proces de demineralizare care conduce la o

scdere a rezistenei la stresul extern ce are ca efect producerea unor boli ca osteoporoza (v.

fig. 1). De aceasta sufer un numr mare de oameni i n special femeile dup o anumit vrst. Osteoartrita i artrita reumatic afecteaz structura ncheieturilor mobile precum oldul, umrul, genunchiul, cotul sau glezna. Durerile la astfel de articulaii pot fi considerabile, n special n cazul celor care sunt supuse

tensiunilor datorate unor solicitri ridicate (n particular oldul i genunchiul). Aceste probleme pot fi rezolvate uneori numai prin

nlocuirea cu o protez a osului, respectiv articulaiei deteriorate. Au fost necesare aadar dezvoltarea cunotinelor medicale i creterea cheltuielilor n domeniul sntii, care au condus la o semnificativ rspndire a aplicaiilor n domeniul implanturilor, una dintre cele mai ntlnite aplicaii din aria biomaterialelor fiind implantul ortopedic.

Fig. 1 Structura osoas afectat de osteoporoz

Fig. 2 Proteza genunchiului (stnga) i componenta

oldului (dreapta)

n cavitatea bucal, datorit bolilor generate de bacterii, dinii i gingiile pot fi distruse n timp. Cariile dentare, demine-

ralizarea i dizolvarea dinilor, asociate cu activitatea metabolic din cavitatea bucal pot duce la pierderea lor. Se impune de aceea

nlocuirea parial sau total a acestora cu implanturi dentare.

Biomaterialele se utilizeaz i n aplicaii cardiovasculare. n sistemele cardiovasculare i circulatorii (inima i vasele de snge) principalele probleme ce apar sunt cele legate de

valvele inimii i artere. Valvele inimii pot suferi modificri structurale care mpiedic nchiderea sau deschiderea total. Ele pot fi nlocuite cu o varietate de substitueni biocompatibili, precum aliaje de tipul Co-Cr-Co, Cr-Ni-Cr-Mo, sau

diamond like carbon. Arterele i n particular arterele coronariene i vasele membrelor inferioare se pot bloca datorit depunerilor de grsime provocnd arteroscleroza. n acest caz, este posibil nlocuirea anumitor segmente cu artere artificiale. Din aceast categorie de

Referat general J.M.B. nr. 1 2015

16

materiale biocompatibile fac parte materialele

polimerice de tipul poliester, PET.

De asemenea, protezele oftalmologice se

realizeaz din biomateriale. esuturile ochilor pot suferi de boli care pot duce la reducerea

vederii sau chiar la orbire. De exemplu,

cataracta produce mtuirea cristalinului, care se poate nlocui cu un material polimeric (PMMA)

care s-i simuleze funciile. Una dintre cele mai rapide arii de cretere

a aplicaiilor implanturilor este legat de sistemele pentru controlul i aplicarea dirijat a medicamentelor la locaiile unde vor fi eliberate. S-au efectuat numeroase ncercri pentru incorporarea de rezervoare de medicamente n

dispozitive implantate pentru a susine i n special pentru a controla eliberarea acestora.

Caracteristici fiziologice ale biomaterialelor

n primul rnd un biomaterial trebuie s fie biocompatibil cu esutul viu, adic s fie stabil n timp din punct de vedere fizic, chimic

i fiziologic, s nu se deterioreze i s nu aib efecte duntoare asupra esutului viu. Biocom-patibilitatea unui material se refer la trei aspecte principale i anume biotolerabilitatea, bioadaptabilitatea i biofuncionalitatea sa.

Conceptul de biotolerabilitate nglobeaz un numr de interaciuni biologice specifice ntre materialul implantat i esutul viu, cum ar fi: rspunsul esutului gazd n contact cu materialul implantat, cu substanele eliberate de acesta sau cu produii de degradare solubili/ insolubili, bioadeziunea celular i/sau tisular, rspunsul sistemului, inducia esutului osos (osteoinducia).

Bioadaptabilitatea reprezint gradul de substituie al unui material ce nlocuiete un esut. Adaptarea este un proces complex de modificare a formei, structurii i funciei unui organ n alte condiii de mediu. Factorul principal implicat este adeziunea, adic legtura stabilit ntre material i esutul dezvoltat n jurul unui implant. Unele aspecte de adapta-

bilitate se refer la posibile friciuni ciclice ale materialelor (mai ales n articulaia de old intens solicitat), caz n care aceste zone solicitate trebuie s suporte teste tribologice i de rezisten mecanic.

Biofuncionalitatea constituie capacitatea implantului de a-i ndeplini funcia cu o reacie advers minim din partea organismului viu.

Totodat acesta este un concept care are n vedere criteriile de proiectare, mai ales n cazul

dispozitivelor de protezare. Aceste criterii au n

vedere urmtoarele aspecte: comportarea esutului gazd, forma iniial i final a implantului, funcia i durata de utilizare a implantului, elaborarea procesului tehnologic de

fabricare a implantului. Studiul biofunciona-litii implic cerine minime de biomecanic, patologie, anatomie i fiziologie pentru implan-tul folosit. n literatura de specialitate nu exist teste standard de apreciere a biofuncionalitii datorit marii varieti de biomateriale, respectiv multiplelor lor aplicaii practice.

Conceptul modern de biocompatibilitate ia

n considerare o serie de factori: chimici

(toxicitate), electrici (apariia unor cureni elec-trici care pot favoriza coroziunea), de suprafa (eventuale reacii chimice, natura hidrofil sau hidrofob, capacitatea de umectare), interaciuni mecanice (natura i mrimea eforturilor de compresiune, traciune, forfecare, care solicit interfaa esut-implant i condiioneaz rspun-sul tisular), geometrici (modul de prezentare al

implantului - masiv, pelicular, fibros, pulve-

rulent - i locul su de implantare). n plus, biomaterialele trebuie s fie

netoxice, nealergice, necancerigene, neantigenice,

nemutagenetice s fie acceptate de sistemul imunologic al organismului viu i conform standardului ISO 10993, tipurile de teste care se

efectueaz pentru aprecierea biocompatibilitii sunt: mutagenicitatea, toxicitatea sistemic acut, toxicitatea oral, citotoxicitatea, pirogenitatea, senzitivitatea, toxicitatea intravenoas, hemoliza, iritaia, implantarea.

Un aspect foarte important este degra-

darea biomaterialelor n mediul biologic, care

combin deteriorarea biomaterialelor i compor-tarea esutului gazd. Principalele mecanisme de interaciune dintre biomateriale i mediul biologic sunt cauzate de influena bioma-terialului asupra mediului biologic, prin alterri ale mediului biologic, ca rezultat al procesului

de deteriorare a materialului sau de influena mediului biologic asupra implantului, deci a

biomaterialului, prin scderea pH-ului cauzat de inflamaia local. Mediul biologic este surprinztor de agresiv i poate duce la fisurarea rapid sau treptat a multor materiale. Iniial se poate crede c pH-ul neutru, cu coninut sczut de sare i temperatura corpului omenesc

Referat general J.M.B. nr. 1 2015

17

constituie un mediu blnd, dar multe mecanisme

biologice cauzeaz deteriorarea implanturilor. Crpturile, asociate cu uzura, au ca rezultat apariia de noi suprafee atacate. Degradarea biomaterialului poate modifica pH-ul, activnd

alte noi reacii. Biodegradarea este un termen care poate fi folosit pentru reacii care se produc n cteva minute sau pentru cele care au loc n

ani.

Biodegradarea este determinat n prin-cipal de trei factori: disoluia fizico-chimic, care la rndul ei depinde de gradul de

solubilitate al materialului i de pH-ul local al mediului. Se pot forma faze noi cum ar fi:

fosfai de calciu amorfi, fosfat de calciu dihidat, fosfat octocalcic i hidroxiapatita substituit anionic; atacul preferenial al legturii dintre granule i dezintegrarea fizic n particule mici; factorii biologici, cum ar fi: fagocitoza, care

determin o scdere a concentraiei de pH local, activitatea celular i poziia de implantare.

Viteza de degradare a unui biomaterial

crete odat cu suprafaa specific (pulberile sunt mult mai rapid biodegradate comparativ cu

solidele poroase, respectiv solidele dense),

creterea porozitii materialului, scderea gradului de cristalinitate al materialului,

scderea dimensiunii granulelor i cristalitelor.

Caracteristici mecanice ale biomaterialelor

Biomaterialele trebuie s fie stabile din punct de vedere mecanic, adic s nu se rup sau s se deformeze excesiv n timp. n funcie de aplicaia pentru care sunt folosite, ele trebuie s reziste la unele solicitri, cum ar fi: compre-siune, traciune, ncovoiere, forfecare, rupere, rezilien, oboseal, duritate, abraziune, ero-ziune, uzur, frecare i s aib modulul de elasticitate corespunztor. Densitatea, respectiv greutatea implantului, trebuie s fie ct mai reduse. n funcie de zona osoas substituit, densitatea implantului trebuie s varieze n limitele 0,18 2,30 g/cm3, valori corespun-ztoare osului poros, respectiv compact.

Din punct de vedere tehnologic trebuie

asigurat un control de calitate corespunztor (puritate, omogenitate, microstructur controlat cu ultrasunete, suprafa prelucrat corespun-ztor .a.). Materialul de implantat poate fi flexibil sau rigid, dar trebuie luate n conside-

rare ambele module: de elasticitate (E),

respectiv de torsiune (G), deoarece implantul se

poate deforma fie n timpul operaiei, fie ulterior n timpul creterii osului. De asemenea, o zon tensionat sau srac n tensiuni poate fi responsabil de o deformare permanent a implantului.

Rezistena la oboseal este un criteriu important deoarece majoritatea implanturilor

suport sarcini (ncrcri) ciclice datorit funcionrii continue a corpului. n cazul unui implant intraosos solicitrile mecanice sunt de ncovoiere-traciune. La interfa ele vor induce eforturi de forfecare a cror intensitate va fi cu att mai important, cu ct va fi mai mare diferena de modul de elasticitate ntre esutul osos i materialul implantat. Aceste solicitri sunt responsabile de producerea unui esut fibros, cu att mai consistent cu ct interfaa este mai instabil din punct de vedere mecanic. n plus, amplitudinea solicitrii mecanice (ntin-dere n lungime i n lime) condiioneaz natura reaciei tisulare. Astfel, n funcie de intensitatea lor, solicitrile la compresiune pot orienta reacia tisular spre fibrogenez (formarea unui esut fibros), condrogenez (inflamarea cartilajului osos), sau osteogenez (formarea unui nou esut osos).

La termene scurte sau medii, rspunsul celular i tisular este diferit n funcie de modul de prezentare al implantului (masiv sau

particule). Pentru implantul fibros exist un anumit raport lungime/diametru la care se mani-

fest pericolul de apariie a cancerului. Mate-rialele masive sunt potenial mai cancerigene dect cele sub form de particule fine.

Caracteristicile practice (de eficien) ale biomaterialelor

Eficiena biomaterialelor se refer la fiabilitatea n utilizare, accesibilitatea n

fabricaie, un pre de cost ct mai redus datorat materiilor prime accesibile, capacitatea uoar de prelucrare i de sterilizare, aspectul estetic. La obinerea biomaterialelor se selecteaz materii prime de puritate medical. Se aleg procedee de fabricaie accesibile pentru a se putea asigura obinerea unei producii de mas, cu precizii dimensionale corespunztoare. n acelai timp, tehnologia nu trebuie s utilizeze substane chimice toxice, care ar conduce la deteriorarea implantului. Prin sterilizare au loc

modificri ale proprietilor fizice i tribologice ale biomaterialelor. n cazul celor metalice,

Referat general J.M.B. nr. 1 2015

18

ceramice i compozite se folosete sterilizarea condus prin diverse variante: termic, prin iradiere cu radiaii gama sau cu flux de electroni, cu soluii apoase pe baz de aldehide i oxid de propilen, prin autoclavare.

Clasificarea i performanele biomaterialelor De fiecare dat cnd un material sintetic

este introdus n corpul omenesc, esuturile vii vor reaciona n raport cu implantul n diferite feluri, n funcie de natura acestuia [1].

n general, n funcie de rspunsul esu-tului gazd n contact cu materialul implantat, biomaterialele pot fi: bioinerte, biodegradabile

(sau bioresorbabile) sau bioactive.

Materiale bioinerte

Termenul de bioinert descrie un material

care odat plasat n corpul omenesc are o interaciune foarte redus cu esuturile nconjurtoare. Aceste materiale prezint dezavantajul c n timp sunt acoperite de organism cu un esut fibros care se ataeaz fizic la suprafaa lor, dar pe arii neregulate. Acest tip de morfologie de fixare nu este ideal

pentru stabilitatea pe termen lung cerut de implanturile permanente. El induce adesea

dificulti majore n cazul implanturilor ortopedice i dentare. Din aceast categorie fac parte: oelul inoxidabil, metale: titanul, metalele nobile, DLC (diamond-like-carbon), NiTi, TiN,

aliaje: Co-Cr-Co, Cr-Ni-Cr-Mo, Ti-Al-Nb, Ti-

13Nb-13Zr, Ti-Mo-Zr-Fe, Ni-Ti, Pt-Ir, Ti-6Al-

4V, ceramici: alumina, zirconia stabilizat parial, polimeri cu masa molecular mare.

Materiale bioresorbabile

Materialele bioresorbabile sunt acelea care

odat introduse n corpul omenesc se dizolv (sunt resorbite) i apoi nlocuite ncet prin avansarea estului (precum osul) [8]. Ele sunt folosite n aplicaiile de eliberare controlat a medicamentelor sau n structuri implantabile i biodegradabile (precum ancore de suturi).

Exemple de materiale bioresorbabile sunt:

tricalciu fosfat Ca3(PO4)2, oxidul de calciu

CaO, carbonatul de calciu CaCO3, polimerii

biodegradabili (copolimerii acidului polilactic i poliglicolic).

Materiale bioactive

Materialele bioactive sunt cele care odat

plasate n corp interacioneaz cu osul i n unele cazuri chiar cu esturile moi. Acest lucru se ntmpl n timp, n funcie de cinetica modificrilor la suprafa, declanate de implantarea lor n contact cu osul viu. n urma

interaciei ntre implantul bioactiv i fluidul nconjurtor din organism, pe implant se formeaz un strat de apatit carbonatat activ biologic, care este chimic i cristalografic echivalent cu faza mineral din os. Astfel de materiale sunt biosticlele [5, 7, 10, 11], sticlele

ceramice [9] i fosfaii de calciu [6]. Pentru biomaterialele din aceast categorie rspunsul organismului fa de implant este cel mai favorabil i impactul pe care l au asupra organismului este pe termen lung.

n mod curent, hidroxiapatita este folosit ca material bioactiv de acoperire n implantologia

ortopedic i stomatologic, pulverizarea combus-tiv n plasm fiind metoda de depunere unanim acceptat. Hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2, e un fosfat de calciu hidratat, cristalin, cu o

compoziie chimic i o structur cristalografic similar cu partea mineral a oaselor i dinilor i are raportul atomic Ca/P=1,67. Aceste acoperiri tip implant de hidroxiapatit prezint totui cteva inconveniente, foarte greu de evitat (fragilitate, neomogenitate, viteza lent de osteointegrare, procesul de dizolvare greu

predictibil), viitorul nepromind mbuntiri importante n cercetarea legat de acest material [2, 3]. De aceea, gsirea unor noi materiale, noi modele arhitecturale implantologice i tehnici de depunere ale acestora reprezint o obligativitate pentru cercettorii din domeniul biomaterialelor.

Concluzii

Biomateriale utilizate n medicin trebuie s aib caliti eseniale, mult peste calitile materialelor utilizate n industrie: rezisten mecanic (la abraziune i fracturi) i rezisten la coroziune (la disoluie chimic i coroziune electrochimic), s nu genereze reacii infla-matorii sau alergice, s nu fie toxice, muta-genice sau carcinogenice.

Materialele bioinerte au o interaciune foarte redus cu esuturile nconjurtoare dar prezint dezavantajul c n timp sunt acoperite de organism cu un esut fibros care se ataeaz fizic la suprafaa lor pe arii neregulate fapt care nu este ideal pentru stabilitatea pe termen lung

Referat general J.M.B. nr. 1 2015

19

cerut de implanturile permanente. Materialele bioresorbabile pot fi folosite

n aplicaiile de eliberare controlat a medicamentelor sau n structuri implantabile i biodegradabile cu mare succes.

Materialele bioactive prezint un rspuns bun al organismului fa de implant i impactul pe care l au asupra organismului este pe termen

lung favorabil.

Descoperirea unor noi materiale, a unor

noi modele arhitecturale implantologice i tehnici de depunere ale acestora reprezint o obligativitate pentru cercettorii din domeniul biomaterialelor, dovedind posibilitile de cercetare n domeniu.

Bibliografie: [1] Burg T., Standard O. - Biomedical Materials,

Teacher Reference, Materials Science and

Engineering UNSW, (2001). [2] Carvalho F.L.S., Borges C.S., Branco J.R.T.,

Pereira M.M. - Structural analysis of

hydroxyapatite/bioactive glass composite

coatings obtained by plasma spray processing,

Journal of Non-Crystalline Solids, 1999;

247:64-8.

[3] Goller G. - The effect of bond coat on mechanical properties of plasma sprayed

bioglass-titanium coatings, Ceramics

International, 2004; 30:351-5.

[4] Langer R., Tirrel D.A. - Designing Materials for Biology and Medicine, Nature, 2004;

428:487-92.

[5] Oku T., Suganuma K., Wallenberg L. R., Tomsia A. P., Gomez-Vega J. M., Saiz E. -

Structural characterization of the metal/glass

interface in bioactive glass coatings on Ti-6Al-

4V, Journal of Materials Science: Materials in

Medicine, 2001; 12:413-7.

[6] Saiz E., Gomez-Vega J.M., Tomsia A.P., Marshall G.W., Marshall S.J. - Bioactive glass

coatings with hydroxyapatite and Bioglasst

particles on Ti-based implants, Biomaterials,

2000; 21:105-11.

[7] Saiz E., Goldman M., Gomez-Vega J.M., Tomsia A.P., Marshall G.W., Marshall S.J. -

In vitro behavior of silicate glass coatings on

Ti6Al4V, Biomaterials, 2002; 23:374956. [8] Schiller C., Rasche C, Wehmoller M.,

Beckmannc F., Eufinger H., Epple M. -

Geometrically structured implants for cranial

reconstruction made of biodegradable

polyesters and calcium phosphate/calcium

carbonate, Biomaterials 2004; 25:123947. [9] Thamaraiselvi T. V., Rajeswari S. - Biological

Evaluation of Bioceramic Materials, Trends

Biomater. Artif. Organs, 2004; 18(1):9-17.

[10] Verne E., Fernandez Valle C., Vitale Brovarone C., Spriano S., Moisescu C. -

Double-layer glass-ceramic coatings on

Ti6Al4V for dental implants, Journal of the

European Ceramic Society, 2004; 24:2699705.

[11] Zhang Y., Santos,J.D. - Microstructural characterization and in vitro apatite formation

in CaO-P2O5-TiO2-MgO-Na2O glass-

ceramics, Journal of the European Ceramic

Society, 2001; 21:169-75.

Mulumiri: Aceast lucrare este susinut prin Programul

Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane (POS DRU), finanat din Fondul Social European i de Guvernul Romniei sub proiectul POSDRU / 159 / 1.5 / S / 134378.