Procese de

interfata

biomaterial - tesut

CONF. STANCU IZABELA| CURS 1

Cuprins:

Prezentare titular de curs

Fisa disciplinei

Metode de evaluare

Introducere

Prezentare titular de curs

Fisa disciplinei

Metode de evaluare

Introducere

Titular de curs: Stancu Izabela-Cristina

UPB FCASM APMG

2000 – PREZENT - doctorand cu frecventa, asistent universitar, sef lucrari,

conferentiar universitar

2010-prezent: Coordonator de proiecte de cercetare (Project Team Leader) in cadrul Grupului de Materiale Polimerice Avansate

(www.tsocm.pub.ro/APMG)

FEBR. 2002 – DEC. 2002; 11 luni Stagiu de doctorat; biomateriale ortopedice, metode de testare biologica

MAI 2005 – IUN. 2006; 13 luni Biosenzori, proteomica, tehnici de bioconjugare, biofunctionalizare aur, SAMs

Molecular Imaging for Label Free Detection in Functional Proteomics FP5-HPMD-CT-2001-00077

NOV. 2006 – NOV. 2007; 12 luni Cimenturi ortopedice; compozite polimerice; biofunctionalizare peptide-

polimeri

Injectable macroporous biomaterials based on Calcium Phosphate cements

for bone regeneration, FP6-STRP NMP3-CT-2005-013912

Experienta in tara

Experienta in strainatate

Societatea Europeana de Biomateriale

- membru comitet YSF http://www.esbiomaterials.eu/index.php?cid=YSF&op=4

- membru Comitet EDA - European Doctoral Award

Young Scientists Forum - Board

THE EUROPEAN SOCIETY

FOR BIOMATERIALS youngyoung.scientistsforum.scientistsforum

THE EUROPEAN SOCIETY

FOR BIOMATERIALS youngyoung.scientistsforum.scientistsforum

YSF events - Highlights

2012 “Challenges and Opportunities of Young Scientists in Biomaterials Science” - WBC2012 The 9th World Biomaterials Congress - Chengdu, China 1st - 5th June

2013 “Career Development - Challenges and Opportunities”, September 8th Madrid, ESB

2013 - 25th European Conference on Biomaterials, 2013, Madrid, Spain

2014 “Entrepreneurship: an academic and industrial perspective” – August 31st Liverpool,

ESB 2014 - 26th European Conference on Biomaterials, (http://esb2014.org/young-

scientists/)

2014 – YSF Winter School preceding “Advanced Materials for Biomedical Applications” conference – November 18th – 21st Ghent, Belgium, (see http://www.pbm.ugent.be/ and

register @ https://chaos.ugent.be/congres/AMBA/)

Dr. Diana Dragusin

Dr. Andrada Serafim

Drd. Sergiu Cecoltan

Laborant Amelia Dobre

Obiectivele disciplinei

Curs: Evidențierea celor mai importante fenomene care au loc la interfața biomaterial-

țesut. Noţiuni fundamentale de știinta si ingineria materialelor (tipuri de biomateriale și

proprietatile acestora atât superficiale cât și de masă) și de ordin biologic (atât reacții ale organismului la prezența biomaterialelor, cât și reacții ale biomaterialelor la mediile biologice/fiziologice)

expunere a interacțiunilor dintre materiale și țesuturi tehnici specifice de identificare/monitorizare a acestor interacțiuni. Aplicatii: noţiuni fundamentale de știinta si ingineria materialelor (tipuri de biomateriale și

proprietatile acestora atât superficiale cât și de masă) și de ordin biologic (atât reacții ale organismului la prezența biomaterialelor, cât și reacții ale biomaterialelor la mediile biologice/fiziologice)

- expunere a interacțiunilor dintre materiale și țesuturi tehnici specifice de identificare/monitorizare a acestor interacțiuni.

Pentru aplicaţii - evidențierea practică a unor aspecte importante ale disciplinei. Au fost selectate

aplicații care urmăresc deprinderea unor metode practice de evidențiere a fenomenelor complexe care au loc la interfața biomaterial-țesut printr-o gamă vastă de metode: spectroscopie în infraroșu, spectrometrie UV-VIS, colorații histologice, studii de gonflare, eliberarea controlată de principii active

Locatie: 1-7 Gh Polizu, corp I, I101.

Miercuri 10-12:00

Laborator: corp A, etaj I, laborator Fizica Polimerilor

Assessment Criteria

Participare activa / teme

Laborator

Partial

Examen

15

25

30

30

Percent of Grade

Participare activa / teme Laborator

Partial Final exam

Conditii minimale:

1. Promovare laborator (> 13p).

2. > 50% total. (>50p)

Final : rotunjire.

Instructor Contact Information

Izabela.cristina.stancu@gmail.com 021-402.27.18

Office hours

9-16

Prezentare titular de curs

Fisa disciplinei

Metode de evaluare

Introducere

Terminologie …

A - adeziune,

B – biomaterial, biocompatibilitate, biodegradare,

bio-inspirat

C – calcifiere, D – degradare, E – eroziune,

M - mineralizare

Biomaterial:

• Material neviu folosit intr-un dispozitiv medical destinat interactiunii cu sisteme

biologice. A nonviable material used in a medical device intended to interact with

biological systems

(Williams 1987 - The Consensus Conference I of the European Society for Biomaterials)

• Una dintre cele 8 domenii prioritare din sectorul materialelor: o noua generatie de

materiale care incurajeaza si imbunatateste restaurarea si repararea functiilor

tesuturilor ( 1995 - The UK Office for Science and Technology (OST) )

• Material sintetic folosit pentru a inlocui o parte a unui sistem viu, sau pentru a

functiona in contact intim cu tesutul viu (Ratner et al. 1996)

• O substanta inerta sistemic si farmacologic, destinata implantarii sau incorporarii in

sisteme vii. A systemically and pharmacologically inert substance designed for

implantation within or incorporation with living systems

(The Clemson University Advisory Board for Biomaterials)

Dispozitiv medical:

Termenul dispozitiv inseamna instrument, aparat, masina, implant, reactiv in vitro,

sau orice produs similar, inclusiv parti, componente, accesorii, care:

- este recunoscut in Formularul National oficial, in United States Pharmacopeia, sau

in orice supliment al acestora;

- este destinat folosirii in scopul diagnosticarii de boli sau al altor conditii, la om sau

animal;

- este destinat a afecta structura si functionarea organismului uman sau animal si

care nu isi atinge obiectivul prin actiune chimica in sau pe corpul uman sau animal.

(US Federal, Food, Drug, and Cosmetic Act, AAMI/ANSI/ISO 13485: 2003)

Food and Drug Administration (FDA)

“Medical implants are devices or tissues that are placed inside or on the surface of

the body. Many implants are prosthetics, intended to replace missing body

parts. Other implants deliver medication, monitor body functions, or provide support

to organs and tissues. Some implants are made from skin, bone or other body

tissues. Others are made from metal, plastic, ceramic or other materials. Implants

can be placed permanently or they can be removed once they are no longer

needed. For example, stents or hip implants are intended to be permanent. But

chemotherapy ports or screws to repair broken bones can be removed when they

no longer needed.”

Biocompatibilitate: abilitatea unui material de a functiona cu un raspuns gazda

convenabil intr-o aplicatie specifica (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999, from The Consensus Conference II of

the ESB)

Bioactivitate: fenomen prin care un biomaterial genereaza sau moduleaza

activitate biologica (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999, from The Consensus Conference II of

the ESB)

Bioinert: termen folosit pentru a caracteriza materiale considerate a fi inerte intr-un

mediu biologic. (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)

Bioabsorbabil: capabil sa fie degradat sau dizolvat si in consecinta metabolizat intr-

un organism (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)

Biodegradare: distrugere treptata a unui material mediata de o activitate biologica

specifica

(The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)

Putina istorie

> 3000 ani – primele biomateriale:

lemn, fildes, os, aur, piatra – pentru inlocuirea dintilor si

umplerea defectelor osoase;

Preocupare permanenta - redarea integritatii functionale /

structurale a corpului

~3000 years old female mummy studied by the German researchers at Ludwig Maximilians University in Munnich

[Biomatter, 2012. 2(2): p. 53-70]

CEA MAI VECHE PROTEZA FUNCTIONALA Deget din lemn

Amputarea degetului – afectiune arteriala; Remodelare tisulara slaba; Refacerea pielii pe bont; Urme care dovedesc utilizarea protezei in timpul vietii.

http://discovermagazine.com/2001/apr/breakwalk

Solutii practicate:

Oamenii bogati isi inlocuiau dintii bolnavi cu dinti extrasi de la sclavi sau

oameni saraci care ii vindeau.

Cand dintii umani nu erau disponibili se foloseau dinti de animale.

Craniul din Kanamarca – “the first unequivocal case in the Prehispanic Americas where a bone plug is removed and replaced in the trepanation opening” [Int. J.Osteoarchaeol. 2010. 20 p. 269-279]

Repozitionarea piesei osoase; probabil

post-mortem.

www.interscience. wiley.com/journal/oa http://www.pbs.org/wgbh/nova/ancient/inca-skull-surgery.html

Prometeu inlantuit Marmura de Nicolas-Sebastien ADAM (Nancy, 1705 – Paris, 1778) Louvru, Paris, Franta

Mitologia greaca:

Mitul lui Prometeu pedepsit sa fie ranit

permanent de un vultur; ficatul sau se

regenereaza.

Anticiparea timpurie principiilor

Medicinei Regenerative

Vindecarea lui Justinian de catre Sf. Cosma si Sf.

Damian” – transplant de picior de la un egiptean

http://365rosaries.blogspot.ro/2010/09/september-26-saints-cosmas-and-damian.html

Moment de rascruce

1860 – Lister – tehnici antiseptice – este posibila practicarea folosirii biomaterialelor.

Incepe era moderna a Biomaterialelor

http://www.acepilots.com/british/bader.html

Al Doilea Razboi Mondial - Fragmente de

poli(metacrilat de metil) (PMMA) din carlinga

avioanelor nu au produs raspuns inflamator la

nivelul ochiului.

1949 – Howard Ridley - oftalmolog RAF -

Recunoaste compatibilitatea PMMA cu ochiul

si inlocuieste primul cristalin cu lentile din

PMMA.

[History of Biomaterials and Tissue Engineering. From Re-placement to Re-generation, Biomaterials and Tissue Engineering - Biomedical Devices and Cell-based Therapies, Prof. Matteo Santin, 2011]

• Thomas Graham (1861) – demonstreaza ca pergamentul vegetal are rol de

membrana semipermeabila – introduce termenul DIALIZA

• 1944 Willem Kolff – utilizeaza prima data dializa pentru a trata afectiuni renale grave

History of Biomaterials and Tissue Engineering. From Re-placement to Re-generation, Biomaterials and Tissue Engineering - Biomedical Devices and Cell-based Therapies, Prof. Matteo Santin, 2011

http://www.thekidneydoctor.org/2012/02/remembering-willem-kolff.html

Prima generatie de biomateriale

Medicii folosesc materiale deja disponibile

Succesul - caracter accidental vs. proiectat

Example:

Aur

Ochi din sticla

Tesatura de parasuta pentru grefe vasculare

Implant dentar din titan

Cimenturi osoase

…

Prima generatie de biomateriale

Medicii folosesc materiale deja disponibile

Succesul - caracter accidental vs. proiectat

Example:

Aur

Ochi din sticla

Tesatura de parasuta pentru grefe vasculare

Implant dentar din titan

Cimenturi osoase

…

Probleme asociate

Biocompatibilitate

Raspuns imun

Esec prin neintegrare corespunzatoare (ex. inlocuiri de sold)

Infectii si formare biofilm

Leakage – ex. implant de san din silicon

A doua generatie de biomateriale

1950-1960 – evolutie spectaculoasa a tehnicilor chirurgicale

apare cererea de materiale pentru o gama larga de dispozitive

implantabile si organe artificiale

se dezvolta o categorie de materiale concepute pentru inlocuirea

tesuturilor

obtinute folosind materiale comune, folosite in alte domenii

dezvoltarea colaborarii medici – ingineri – specialisti in materiale

Caracter inter- si multi-disciplinar

se foloseste experienta dobandita cu prima generatie de materiale

Biomateriale, compozitie

Biomateriale:

Polimeri

Metale

Ceramici

Compozite

Metode de obtinere:

Sisteme multicomponente diverse:

Compozite/amestecuri/retele

(semi)interpenetrate de polimeri

Acoperiri

Turnare/injectie

Biofunctionalizare superficiala

Modificari ale topografiei

Nedegradabile: Alcool polivinilic / Poly(vinyl

alcohol), Salubria (Salumedica, US)

Poli(hidroxietil metacrilat) si

poli(metacrilat de metil) /Poly(2-

hydroxyethyl methacrylate) and

poly(methyl methacrylate)

Poli(N-izopropil acrilamida) / Poly(N-

isopropylacrylamide)

Polietilena / Polyethylene

Poliuretani / Polyurethanes

Silicon / Silicone

Politetrafluoroetilena /

Polytertrafluoro ethylene

Degradabile: Acid poliglicolic / Poly(glycolic acid)

Acid polilactic / Poly(lactic acid)

Poly(ethylene oxide)

Policaprolactona / Polycaprolactone

Alginat / Alginate

Chitosan

Colagen / Collagen

Acid hialuronic / hyaluronic acid,

hyaluronan

Fibrin glue

Ramakrishna S. et al. (2001) Surf. Sci. 61, 1189-

1224

A doua generatie de biomateriale polimerice:

Oteluri inoxidabile

Titan si aliaje de titan

Crom/cobalt

A doua generatie de biomateriale metalice:

Hidroxiapatita

Fosfat de calciu amorf

Cimenturi pe baza de fosfat de calciu

Biosticla Bioglass®

A doua generatie de biomateriale ceramice:

Lipsa citotoxicitatii

Raspuns imun moderat

Prezinta proprietati care induc aderenta celulara

Posibilitate de biodegradare

A doua generatie de biomateriale - proprietati:

VIS - REALITATE

R. Langer, G. Mikos (M.I.T.) , J. Vacanti

(Harvard) [Science, 1993. 260(5110): p. 920-926]

Viziune de pionierat: Langer si

Vacanti - 1993

"When nature finishes producing its own species, man begins, using natural things in

harmony with this very nature, to create an infinity of species." - Leonardo da Vinci

A treia generatie de biomateriale:

A treia generatie de biomateriale

Element central - Biocompatibilitatea:

Definitia veche: materiale inerte

Definitia noua: abilitatea unui material de a induce un

raspuns asteptat; abilitatea de a permite procese de

vindecare normale

Castner DG, Ratner BD, (2002) Surf. Sci. 500 28-60)

Medicina regenerativa / Ingineria tisulara

A treia generatie de biomateriale

“Tissue Engineering is an interdisciplinary field that applies the

principles of engineering and life sciences (combination of

cells, engineering and biomaterials) toward the development

of biological substitutes that restore, maintain, or improve

tissue function or a whole organ”

Ingineria tisulara este un domeniu interdisciplinar care aplica principiile ingineriei si stiintelor vietii (combinand celule, inginerie si biomateriale) in

vederea dezvoltarii unor substitute biologice care redau, mentin sau

imbunatatesc functionarea unui tesut sau a unui organ.

[Science, Langer & Vacanti, 1993, 260(5110): p. 920-926

Medicina regenerativa / Ingineria tisulara

Multi- si inter-disciplinaritate:

Materiale noi dezvoltate prin efortul comun al biologilor,

chimistilor, inginerilor, medicilor….

Atribute noi:

Biomimetism, asemanare cu elementele naturale

Bioactivitate

Biodegradabilitate

A treia generatie de biomateriale

Proprietati ideale ale unui biomaterial

biodegradabil

Stimularea formarii de tesut nou functional la nivelul leziunii

Viteza de degradare comparabila cu cea de regenerare a

tesutului gazda

Raspuns imun redus

Produsi de degradare netoxici

Dupa Al Doilea Razboi Mondial - the Guinea Pigs Club – piloti cu arsuri

grave, cazuri de diformitate faciala

Sir Archibald McIndoe - tehnici chirurgicale avansate de regenerare tisulara

Activitate de pionierat in medicina regenerativa:

http://www.youtube.com/watch?v=3ZkmYmLLyrA

http://www.historylearningsite.co.uk/guinea_pig_club.htm

Sir Archibald McIndoe with Guinea Club members

Activitate de pionierat in medicina

regenerativa:

Surviving members of the club try to meet each year and since the death of Sir

Archibald McIndoe in 1960, the Duke of Edinburgh has been the club's president.

http://www.historylearningsite.co.uk/guinea_pig_club.htm

http://www.eastgrinsteadmuseum.org.uk/guinea_pig_club

1970 – 1980: Dr WT Green, Children’s Hospital Boston:

generare de cartilaj cultivand condrocite pe fragmente osoase – implantate

in soareci – esec; Se atrage atentia asupra

Importanta substratului (scaffold) pentru celule

Dr. J Burke si Dr. I Yannos, MIT, Boston

fibroblaste dermale pe bureti de colagen pentru regenerarea pielii;

E. Bell

fibroblaste pe colagen;

Dr. H Green keratinocite.

Activitate de pionierat in medicina regenerativa:

1980- inceputul anilor 1990

Dr. J. Vacanti, Children’s Hospital si Dr. R. Langer, MIT, Boston, SUA

Studii folosind substraturi pe baza de polimeri biodegradabili

pentru cell delivery

Activitate de pionierat in medicina

regenerativa:

Boston Ear Mouse /

Vacanti’s mouse

http://www.massgeneral.org/research/researchlab.aspx?id=1129 http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/1949073.stm

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0-24 years over 80 years

Inc

rea

se

(1

99

5-2

02

5)

European population age

Marile progrese din stiinta si tehnologie

Impact urias asupra duratei de viata si asupra

calitatii vietii:

In 1900 – cauza majora a

mortalitatii patologice in SUA –

pneunomia, gripa, tuberculoza etc.

Din 1940, majoritatea deceselor

patologice din SUA au ca si cauze:

boli cardiovasculare, cancer si alte

boli “ale stilului de viata” (lifestyle diseases).

la sfarsitul anilor 1990, > 60% din

numarul total de decese – cauze

lifestyle diseases

Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit materiale naturale si sintetice

pentru redarea / mentinerea intergritatii structurale si functionale a

organismului;

Materialele au cunoscut o evolutie continua; diverse clase;

Strategiile de vindecare – schimbare radicala:

de la INLOCUIRE la REGENERARE: INGINERIE TISULARA (Tissue Engineering).

Concluzii

Surse de documentare stiintifica - sugestii

Societatea Europeana de Biomateriale – ESB (www.esbiomaterials.eu) Food and Drug Administration – FDA (http://www.fda.gov/MedicalDevices)

Strategies in Regenerative Medicine. Integrating Biology with Materials Design, Ed. Matteo Santin, Springer, 2009 ESB Consensus Conference I – Williams, D.F., Definitions in Biomaterials, Elsevier, Amsterdam, 1987 ESB Consensus Conference II – Dohery P.J., Williams R.L., Williams D.F., and Lee A.J.C., Biomaterial-Tissue Interfaces, Elsevier, Amsterdam, 1992

Larousse Science – Larousse Dictionary of Science and Technology, Larousse, Edinburgh, 1995 Oxford Science – Oxford Concise Science Dictionary, Oxford University Press, 3rd Edition, 1996 MEDLINE – Medical Subject Heading, National Library of Medicine, US National Institute of Health The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999 ……

Questions?