UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ ŞI FARMACIE

„GRIGORE T. POPA” IAŞI

FACULTATEA DE FARMACIE

BIOMATERIALE

CERAMICE

Student

Lucescu Elena Carmen

-2013-

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ ŞI FARMACIE

„GRIGORE T. POPA” IAŞI

FACULTATEA DE FARMACIE

BIOMATERIALE CU APLICAŢII ÎN MEDICINĂ ŞI FARMACIE

Biomateriale ceramice

Student

Lucescu Elena Carmen

-2013-

2

CUPRINS

Introducere..................................................................................................................4

1. Biomateriale ceramice – scurt istoric.....................................................................5

2. Clasificarea bioceramicilor.....................................................................................6

3. Proprietăți ale materialelor ceramice......................................................................8

3.1 Porozitatea materialelor ceramice.....................................................................9

3.2 Rezistența mecanică..........................................................................................9

3.3 Duritatea și rezistența la uzură.........................................................................10

3.4 Conductivitatea termică...................................................................................11

3.5 Rezistența la coroziune....................................................................................11

4. Bioceramici inerte.................................................................................................12

4.1 Alumina...........................................................................................................12

4.2 Zirconia............................................................................................................13

4.3 Carbonul..........................................................................................................14

5. Bioceramici active.................................................................................................15

5.1 Hidroxiapatita..................................................................................................15

5.2 Vitroceramici...................................................................................................16

Concluziile lucrarii.......................................................................................................17

Bibliografie..................................................................................................................19

3

INTRODUCERE

În raport cu o problemă atât de importantă pentru societate cum este sănătatea publică, diversele segmente ale populaţiei sunt sensibilizate de a reacţiona pozitiv mai ales spre prevenţie, educaţie şi tratament. Abordarea sănătăţii publice în acest mod impune necesitatea integrării şi interacţiunii puternice dintre diferitele ramuri ale medicinei și ingineriei medicale spre crearea de metode și materiale necesare în acest scop.

Astfel, de mult timp se lucrează la evoluţia materialelor ceramice ce pot conduce, la îmbunătăţirea duratei şi calităţii vieţii, prin utilizarea acestor materiale, la repararea sau la reconstrucţia unor părţi din organismul uman. Ceramicile utilizate în acest scop au fost denumite bioceramici. Materialele ceramice sunt produsi policristalini, refractari, in general anorganici ca: silicati, oxizi metalici, carburi, hidruri refractare, sulfuri, selenuri.

Ceramicile biocompatible sunt utilizate datorită bunelor proprietăţi de biocompatibilitate conferite de similitudinea dintre elementele constitutive ale ceramicilor şi cele din care este formată matricea osoasă, rezistență la coroziune, rezistentă la uzură și rezistentă la compresiune.

Inițial una din cele mai importante proprietăţi pe care trebuiau să o îndeplinească materialele bioceramice a fost caracterul lor inert în raport cu organismul viu. Este foarte bine cunoscut faptul că toate materialele, odată implantate într-un organism, generează o reacţie specifică asupra acestuia. Este foarte important din acest punct de vedere crearea de materiale implantabile şi designuri de implanturi care pot conduce la reacţii minime. Un pas ulterior a fost sintetizarea de materiale cu capacitatea de a provoca reacţii normale în ţesutul în care se implantează sau să ajute la regenerarea acestuia.

Materialele ceramice bioactive subliniază succesul atins de aceste eforturi. În prezent se încearcă sintetizarea de materiale ceramice care pot promova formarea în vitro a unor ţesuturi similare osului. Pentru tratamentul unor defecte majore în structura osului, devine mai interesant ca ţesutul osos să fie format în afara organismului, cu ajutorul unor celule extrase din pacient, după care acesta va fi implantat ca un ţesut practic identic din punct de vedere imunologic.

Prin urmare, pornind de la aceste considerații, în lucrare sunt prezentate proprietățile esențiale ale biomaterialelor ceramice și cele mai importante biomateriale ceramice inerte, respectiv active.

4

1. SCURT ISTORIC AL MATERIALELOR BIOCOMATIBILE

Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele

vii şi materiale”, iar biomaterialele sunt definite ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de

substanţă, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine

determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte sau

înlocuieşte un ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”(Williams 1992).

Utilizarea materialelor pentru realizarea protezelor ortopedice datează din timpuri

străvechi. Metale relativ pure, cum ar fi aurul, argintul și cuprul s-au utilizat în principal în

jurul anilor 1875. Epoca modernă a biomaterialelor metalace și ceramice poate fi considerată

perioada de după anul 1925, când are loc o dezvoltare pe scară largă a protezelor ortopedice

realizate din oțeluri inoxidabile și este pusă la punct tehica executării coroanei dentare dintr-

un înveliș de porțelan pe folie de platină. Aproape de mijlocul secolului trecut au apărut și

primele studii cu privire la îmbunătățirea caracteristicilor fizico-mecanice (prin reducerea

porozității) și estetice în cazul protezelor dentare realizate din porțelan, progrese obținute prin

folosirea tratamentului termic în vid.

În ultimii 40 de ani s-a intensificat notabil utilizarea ceramicilor în domeniul medical,

odată cu utilizarea aluminei. Astfel, căteva date importante care au marcat dezvoltarea

bioceramicilor în ultimele decenii au fost legate de realizarea unor substituții osoase din

alumină; implanturi dentare, capete femurale și osicule pentru urechea mijlocie din alumină.

De asemenea, hidroxiapatită sau sticle bioactive sunt utilizate pentru acoperirea cu materiale

ceramice a protezelor de șold, iar alumină și hidroxiapatită pentru reconstrucția falangelor și

metatarsienelor.

Hidroxiapatita este unul dintre cele mai studiate materiale ceramice cu aplicații

medicale în domeniul reconstrucției și regenerării structurilor osoase, pentru care cercetătorii

și-au manifestat un interes deosebit începând cu anii 1970. Varietatea rutelor tehnologice prin

care poate fi sintetizat acest material, cum ar fi: procesarea unor țesuturi dure din structura

mamiferelor sau corali și sinteza de laborator, dar și multitudinea formelor în care poate fi

utilizat acest material, ca pulbere sintetizată, în stare compactă sau poroasă, pentru aplicații de

acoperire, ca material bioactiv a unui suport bioinert, ca material de umplutură în cazul

grefelor de os sau ca material compozit de tip hidroxiapatită-polietilenă etc, fac din această

bioceramică un material cu o arie largă de aplicabilitate în domeniul medical.

5

În ceea ce privește sticlele bioactive acestea au fost sitetizate cu scopul de a induce o

activitate biologică specifică; în majoritatea cazurilor, activitatea biologică se traduce prin

crearea unei legături interfaciale între implant și țesutul osos din organismult viu. Mecanismul

legării implantului de tesutul gazdă include o serie de procese fizico-chimice complexe și,

totodată, formarea unui strat bioactiv de calciu și fosfor (apatita) la suprafața implantului.

În ultimul timp, de o apreciere deosebită se bucură compozitele bioceramice. Acestea

au apărut ca un răspuns firesc al unor neajunsuri provocate de materialele ceramice

biocompatibile, și anume: durata de viață nesigură, în condițiile existenței unui complex de

stări de tensiune corelate cu evoluția lentă a unor fisuri și oboseala ciclica. Astfel, au fost

dezvoltate o serie de biocompozite în care materiale precum: carbonul, rășinile epoxidice,

hidroxiapatita coralieră, biosticla, colagenul, polietilena, poli metilmetacrilat-ul, acidul

polilactic etc., joacă rol de matrice, iar fibrele de carbon, carbura de siliciu, fibrele de oțel

inoxidabil sau titan, hidroxiapatita și zirconia au rol de material de consolidare.

2. CLASIFICAREA BIOCERAMICILOR

Materialele ceramice cu aplicaţii medicale – BIOCERAMICI –au cunoscut în această

perioadă o dezvoltare rapidă, atât în privinţa tehnicilor de procesare cât şi în domeniile de

utilizare medicală ca: ortopedia, chirurgia, stomatlogia şi în construcţia diverselor dispozitive

medicale performante.

Ceramicile au multe proprietăţi specifice ca biomateriale: sunt netoxice, inerte cu

fluidele biologice, bioactive într-o anumită compoziţie chimică şi structurală, şi pot fi

procesate cu uşurinţă într-o gamă largă de forme şi dimensiuni, atât în stare densă cât şi în

structură cu porozitate controlată.

Ceramica medicală poate fi clasificată după mai multe criterii, dintre care cele mai

importante sunt:

2.1 După compoziţia chimică:

Ceramici oxidice, sunt cele mai utilizate materiale pentru implanturi. În ceramicile

oxidice legătura predominantă între atomi este de natură ionică; ionii de oxigen sunt distribuiţi

prin interstiţiile ionilor metalici. Oxidul reprezentativ al acestei grupe este alumina – Al2O3.

6

Alţi oxizi metalici care aparţin acestei grupe de materiale ceramice sunt: MgO, ZrO2, Y2O3,

BeO, ThO2 şi MgO.Al2O3.

Ceramici neoxidice având compuşii chimici cei mai reprezentativi SiC şi Si3N4,

caracterizate prin proprietăţi de rezistenţă mecanică şi inerţie chimică deosebite, motiv pentru

care sunt considerate ca materiale foarte indicate în utilizări medicale.

Ceramica pe bază de carbon a apărut în ultimele decenii în aplicaţii medicale şi este

reprezentată de două tipuri principale de materiale: carbonul pirolitic şi carbonul vitros. Din

această grupă mai fac parte compozitele SiC-C şi C-C.

Sticlele ceramice au la bază componentul principal SiO2 alături de alţi oxizi metalici

ca: Na2O, K2O, CaO, Al2O3 etc. Dacă în sticla topită sunt adăugaţi atomi străini, aceştia se vor

interpune între legăturile tetraedrelor de oxigen ale silicei şi vor slăbi legăturile ionice de Si-

O, modificând structura vitroasă a sticlei în sensul devitrificării ei.

Prin formarea unor oxizi complecşi ternari ca: Li2O-Al2O3-SiO2, Li2O-MgO-SiO2 şi

Li2O-ZnO-SiO2 în sticla lichidă, se pot forma faze nemiscibile în stare solidă prin nucleerea şi

creşterea de faze cristaline ceramice în masa de sticlă, printr-un tratament termic în stare

solidă.

Ceramici multicomponente care conţin mai multe faze complexe ca hidroxiapatita –

Ca10(PO4)6(OH)2; tetracalciumfosfat –Ca4H(PO4)3; tricalciumfosfat – Ca3(PO4)2 şi alte

sisteme oxidice.

2.2 Dupa modul de comportare în medii biologice:

Ceramica bioinertă caracterizată prin lipsa totală a reacţiilor chimice cu mediul

biologic şi prin proprietăţi ridicate ale durităţii, densității și ale rezistenţei la uzare. Această

grupă de ceramici cuprinde materiale oxidice şi neoxidice ca: Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC etc. În

aplicaţii medicale cea mai utilizată este ceramica pe bază de Al2O3, în domenii ca articulaţii

protetice în ortopedie, în stomatologie şi în chirurgia maxilo-facială. În ultimii ani aceste

materiale sunt utilizate de asemenea şi sub formă de straturi superficiale depuse pe

componentele protetice şi pe implanturi.

Ceramica bioactivă cuprinde diferite sticle ceramice ca sticla bioactivă în sistemul

SiO2-CaO-P2O5-Na2O, ceramica densă din hidroxiapatită sintetică precum şi ceramica pe bază

de fosfaţi de calciu. Aceste materiale sunt caracterizate prin faptul că ajuta cresterea țesutului

osos natural, la interfața implant-țesut viu. Ceramicele conţin în compoziţia lor ioni de calciu

7

şi fosfor care se găsesc şi în structura minerală a ţesuturilor tari (oase, dentină, email), cu care

pot forma interacţiuni chimice şi biologice.

Ceramicile bioactive sunt reprezentate de sticle ceramice, materiale care conţin fosfat

de calciu având compoziţia şi structura similară cu ale componentelor anorganice osoase.

Aceste materiale sunt caracterizate printr-o anumită solubilitate, care permite ţesutului

biologic cu care se află în contact să formeze legături directe cu implantul. Asemenea procese

biologice complexe oferă noi posibilităţi pentru chirurgia reconstructivă, prin umplerea sau

legarea defectelor osoase în chirurgia maxilo-facială sau dentară, precum şi în implantologia

generală.

Ceramica pe bază de carbon este caracterizată prin proprietatea de a fi complet inertă

în contactul cu ţesuturile biologice şi cu sângele (hemocompatibilitate), motiv pentru care

poate fi utilizată pentru producerea de componente ale sistemului cardio-vascular. Din această

grupă fac parte carbonul, carburile şi nitrurile cu carbon.

2.3 Dupa forma sub care sunt utilizare biomaterialele se clasifica în: bioceramici

masive, bioceramici sub formă de pubere, bioceramici de acoprire și compzite.

2.4În funcție de structura, bioceramicile se grupează în:

-bioceramici cu particule polimerice;

-fibre ceramice și matrici polimerice;

-fibre metalice și matrice ceramică și

-fibre de colagen și matrice ceramică.

3.PROPRIETAȚILE MATERIALELOR CERAMICE

Materialele ceramice, spre deosebire de metale, au celula cristalină mult mai

complexă, aspect ce explică și mobilitatea redusă a defectelor cristaline. Pe baza structurii şi a

legăturilor interatomice de tip ionic se pot explica multe dintre proprietăţile acestor materiale,

ca de exemplu conductivitatea electrică şi termică scăzută, iar proprietăţile de plasticitate

reduse mult sunt rezultatul slabei mobilităţi a dislocaţiilor. Comportarea materialelor ceramice

la diverse solicitări mecanice depinde de o multitudine de factori fizici și de mediu printre

8

care se menţionează: micro şi macroporozitatea, natura materialului, volumul de microfisuri și

modul de propagare și deviere a fisurilor, condițiile de mediu în care lucrează. Cele mai

importante proprietăți ale materialelor ceramice utilizate în domeniul medical sunt prezentate

în continuare.

3.1 Porozitatea materialelor ceramice

Porozitatea materialelor ceramice este determinată de utilizarea materiilor prime sub

formă de pulberi în majoritatea procedeelor tehnologice de fabricație și se manifestă sub două

aspecte dimensionale: macroporozitate și microporozitate.

Macroporozitatea este o caracteristică fizică determinată de împachetarea particulelor

ceramice de formă neregulată în corpul ceramic, aspect ce determină un anumit volum de pori

şi canale permeabile la fluide. Acest aspect structural este utilizat pentru controlul filtrării şi al

caracterului de izolator termic.

Microporozitatea se referă la porii închişi în interiorul grăunţilor ceramici sau ai

structurii ceramice finale, fiind numită şi porozitate reziduală, care nu poate fi eliminată în

timpul procesării materialelor ceramice. În realizarea produselor ceramice bioinerte se

urmăreşte de regulă obţinerea unei porozităţi reduse, prin procedee tehnice de presare şi

sintetizare la temperaturi şi presiuni ridicate.

În ultimii ani s-au realizat aşa-numitele produse ceramice nanoporoase, cu porozitate

controlată la nivel submicronic, prin tehnologii moderne ca depunerea chimică în stare de

vapori (CVD), prin utilizarea ca materie primă a unor particule atomice numite zeoliți, care

asigură o structură fină a produselor ceramice şi o densitate foarte aproape de cea teoretică.

3.2 Rezistenţa mecanică

Rezistenta mecanică a produselor ceramice este determinată de defectele structurale şi

în special de microfisurile produse la formarea microstructurii, de unde se pot propaga fisurile

când se aplică un nivel de efort ridicat.

Parametrii convenţionali care definesc rezistenţa mecanică a materialelor ceramice

sunt:

Rezistenţa la compresiune exprimă valoarea forţei necesare pentru a rupe o probă

cilindrică sau rectangulară supusă la compresiune. Materialele ceramice sunt caracterizate

prin valori ridicate ale rezistenţei la compresiune, care pot atinge nivele de 3-10 ori mai mari

decât ale rezistenţei la întindere.

9

Rezistenţa la întindere definită ca efortul maxim produs în secţiunea minima a unei

probe pentru a fi ruptă prin solicitare la întindere.

Rezistenţa la încovoiere este o caracteristică mecanică frecvent utilizată şi determinată.

Valorile rezistenţei la încovoiere sunt comparabile ca ordin de mărime cu cele ale rezistenţei

la întindere, dar exprimă deformarea elastică a materialului încercat.

Rezistenţa la oboseală reprezintă comportarea materialului ceramic sub o sarcină dată,

în timp. Oboseala poate fi dinamică, sub sarcină ciclică sau statică – când sarcina este

constantă în timp. Deci rezistenţa la oboseală se determină prin timpul în care un material

rezistă sub o sarcină constantă sau ciclică până la rupere. Pentru biomaterialele ceramice

rezistenţa la oboseală se determină sub influenţa diferitelor medii bioactive, şi deci valoarea

rezistenţei se exprimă diminuată procentual faţă de mediul normal.

Rezistenţa mecanică a materialelor ceramice se manifestă diferit faţă de metale, toate

proprietăţile mecanice sunt funcţie de caracteristicile materiei prime, de tehnologia de

procesare şi de amplitudinea şi forma microfisurilor reziduale din material. Materialele

ceramice sunt în general mai dure decât aliajele metalice, aspect ce a determinat utilizarea lor

în multe domenii tehnice.

3.3 Duritatea și rezistența la uzare

Materialele ceramice sunt în general mai dure decât aliajele metalice, aspect ce a

determinat utilizarea lor în multe domenii tehnice.

Duritatea se măsoară de obicei prin urma lăsată în material de către un penetrator

apăsat cu o anumită forţă. Duritatea este dată de natura materialului ceramic şi de porozitatea

sa. Din cauza fragilităţii sale, materialul ceramic tinde să se fisureze la apăsarea cu un corp

dur, pe suprafaţa de măsurare. De aceea, pentru obţinerea unor rezultate mai reale, se practică

măsurarea microdurităţii corpurilor ceramice cu ajutorul unor piramide de diamant, prin

măsurarea urmei lăsate în material.

Rezistenţa la uzare depinde de natura materialului ceramic şi de condiţiile mecanice în

care are loc contactul dintre suprafeţele aflate în mişcare. Uzura nu poate fi redusă numai prin

creşterea durităţii materialelor, este necesar să se realizeze un film „tribochimic” de faze

secundare care să lubrifieze interfaţa de frecare şi astfel să reducă uzura. Realizarea unui

asemenea film stabil se poate obţine în următoarele condiţii:

ceramica pe bază de oxid de aluminiu utilizată în prezenţa umidităţii

favorizează producerea unui film hidratat de alumină;

10

lubrifierea la temperaturi ridicate, în prezenţa fazei sticloase, produce un film

lichid care reduce frecarea, aspect posibil în ceramicile oxidice;

în ceramicile neoxidice, ca de exemplu cele pe bază de nitrură de siliciu-

Si3N4, se poate produce un film oxidic (de SiO2) care are rol de lubrifiere;

prezenţa oxizilor de titan sau crom în ceramica pe bază de alumină poate

produce filme de lubrifiere care reduc frecarea;

încorporarea unor medii lubrifiante în microstructura ceramicilor, ca de

exemplu grafitul sau nitrura de bor, pot reduce sensibil frecarea şi uzura

materialelor ceramice.

3.4 Conductibilitatea termică

Conductibilitatea termică este o proprietate fizică importantă a materialelor ceramice,

care defineşte capacitatea acestora de a transmite energia termică prin masa lor, fiind

determinată de structura cristalografică a fazelor componente şi de aranjamentul structural.

Materialele ca AlN, BeO, SiC şi borurile au valori ridicate ale conductibilităţii termice,

care adăugate în ceramicile clasice influenţează pozitiv această proprietate, pe cand materiale

ca silicaţii reduc sensibil proprietăţile de conductibilitate termică.

3.5 Rezitența la coroziune

Majoritatea fazelor ceramice se caracterizează printr-o ridicată rezistenţă la coroziune

în apă, acizi minerali, gaze şi la temperaturi ridicate, deci nu sunt atacate de către agenţii

chimici menţionaţi. Produsele bioceramice înalt sinterizate, de înaltă puritate şi dense, au o

excelentă rezistenţă la coroziune.

Pe baza proprietăţilor prezentate, materialele ceramice ca atare sau sub formă de

materiale compozite, pot constitui materialele viitorului în toate domeniile de activitate umană

11

4. BIOCERAMICI INERTE

Aceste materiale, biologic inerte și netoxice, sunt caracterizate de o viteză de dizolvare

foarte scăzută în corpul uman, în majoritatea cazurilor aceasta fiind nulă. Din această

categorie fac parte alumina și carbonul.

4.1 Alumina

Aluminele pot fi monocristaline și policristaline, sunt de înalta puritate (> 99,5%) și

constituie primele biomateriale ceramice utilizate în diverse aplicații clinice. Sunt utilizate

pentru proteze de șold și implanturi dentare datorită combinației unor proprietați excelente:

rezistentă la coroziune, compatibilitate bună, rezistenă mare la uzură,’deosebite proprietăți

mecanice.

Alumina este utilizată în chirurgia ortopedică datorită formării unei capsule fibroase

foarte subțiri care permite fixarea fără ciment a protezelor, coeficientului de frecare deosebit

de scazut și rezistenței la uzură.

Capul femural și partea fixă a unei proteze totale de șold produse din alumină, fig. 1,

trebuie să aibă un grad înalt de sfericitate precum și suprafețe perfect netede; aceasta se poate

produce prin polizarea împreună a celor două sprafețe, fixă și mobilă.

Fig. 1-Capete femurale din alumină utilizate în proteze totale de șold. [http://www.revista-

informare.ro/showart.php?id=208&rev=7]

12

Alte aplicaţii clinice ale protezelor de alumină includ proteze de genunchi, șuruburi,

proteze dentare, punți alveolare (os maxilar), reconstrucţii maxilo-faciale, substituţii osoase

pentru osicule din urechea mijlocie, înlocuiri de segmente de oase, implanturi dentare etc

(fig.2).

Fig. 2-Implant dentar [http://www.neoclinique.ro/ro/informatie/95/implantul-dentar/]

4.1 Zirconia

Zirconia este un material ceramic pe bază de zirconiu întarit printr-un procedeu de

fabricație termică și fizică. Rezistența sa a fost accentuată, în special peintr-o tehnică de

rearanjare regulată a cristalelor, având ca liant materiale corespunzatoare.

Zirconiul se obține cel mai des din silicatul de zirconiu, în care se afla asociat cu

siliciul. Acest material este rezistent la coroziunea exericitată atât de soluțiile organice acide,

cât și de soluțiile putenic alcaline. Rezistența ridicată este datorată prezenței hafniului și a

yatriului. Zirconiul este considerat de unii autori drept materialul ceramic al viitorului (Muster

D-1993; Leblanc P-1992).

Caracteristicile fizice ale aluminei și zirconiului arată că zirconiul are:

Rezistență la îndoire și la tracțiune superioară aluminei;

Densitate mai ridicată cu granulometrie mai mică;

Un modul Young mai redus (modul de elasticitate, relația între tensiunea aplicată și

deformarea provocată).

13

În tabelul 1 sunt prezentate comparativ proprietățile fizice ale aluminei și zirconiului.

Tabelul 1. Caracteristicile fizice ale aluminei și zirconiului

Alumina și zirconiul

corespund parametrilor pentru materiale de uz implantologic:

inerția chimică și fiziologică;

rezistență ridicată la acizi și baze în mediul biologic unde au fost introduși;

bună compatibilitate;

slabă conductibilitate termică și electrică;

rezistență mecanică suficienta pentru utulizarea prevazută.

4.3 Carbonul

Carbonul se prezintă sub două forme: carbon pirolitic și carbon vitros.

Carbonul pirolitic este cristalin, are structură asemanătoare cu grafitul, dar cu unele

legături covalente între straturile de grafen ca rezultat al imperfecțiunilor din producerea sa.

Acesta este produs de om și nu se găsește în natură. În general, este produs prin încălzirea

unei hidrocarburi pana aprope de temperatura de descompunere, care permite grafitului să

cristalizeze (piroliză). Carbonul pirolitic are proprietăți conducoare și diamagnetice foarte

bune.

Carbonul vitros este necristalin și se obține prin piroliză în atmosferă controlată a unor

polimeri. Se utilizează ca atare sub formă de fibre de carbon sau în combinație cu alte material

la obținerea compozitelor. Datorită compatibilității deosebite față de sange, compozitele

constituie materiale de elecție pentru inimile artificiale, valve cardiac și vase de sânge.

Carbonul pirolitic este, de asemenea, utilizat la obtinerea implanturilor interfalangiene și

metacarpofalangiene (fig.3) și la acoperirea altor implanturilor.  În această aplicație, este

comercializat in prezent sub numele de “PyroCarbon”.

14

Caracteristici fizice

ale

aluminei și zirconiului

Alumina Zirconiu

Densitate 3,96g/cm3 6,05g/cm3

Granulometrie 3-4μm 0,5-1 μm

Rezistență la flexiune 450 Mpa 1100 MPa

Rezistență la tracțiune 250 Mpa 540 MPa

Mdulul lui Young 380 Mpa 210 MPa

Fig.3-Implanturi de carbon pentru articulațiile interfalangiene și metacarpofalangiene

[http://www.eatonhand.com/img/img00092.htm]

5. BIOCERAMICI INERTE

Aceste materiale, biologic active sunt caracterizate prin faptul că ajuta cresterea țesutului

osos natural, la interfața implant-țesut viu. În această grupă sunt incluse diferite sticle

ceramice ca sticla bioactivă, ceramica densă din hidroxiapatită sintetică precum şi ceramica pe

bază de fosfaţi de calciu.

5.1 Hidroxiapatita (HA)

Hihroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2) este o ceramică pe bază de fosfat de calciu cu raportul Ca/P cuprins între anumite limite în funcție de temperatură, prezența apei sau a impurităților. Din punct de vedere stoechiometric contine 39,9% Ca, 18,5% P și 3,38% oxidril. Înlocuirea gruparii oxidril cu ioni de fluor duce la o stabilitate structurală mai mare, deoarece ionul de fluor se coordinează mult mai strans decât gruparea oxidril. Reprezintă 90% din calciul corpului și 80% din fosforul total. Constituie aproximativ 60-70% din masa uscată a osului, ceea ce determină rezistența la compresiune. În practica medicală se utilizează hidroxiapatite dense, poroase, sub formă de pulberi și sub formă de straturi.

Cercetarile în domeniul ingineriei țesutului osos arată că proprietățile structurale ale hidroxiapatitei poroase îi conferă aceteia un grad mai bun de resorbilitate și o mai bună osteoconductivitate față de hidroxiapatita densă, și o recomandă ca un bun substituent osos pentru chirurgia ortopedică implantologică.

Hidroxiapatita sub formă de straturi subțiri este cea mai utilizată deoarece se aplică cu ușurință pe materialele metalice sau polimerice și după implantare au rolul de a face legatura între implant și țesutul viu.

Necesarul de hidroxiapatită este asigurat prin sinteza acesteia pe trei căi: pe cale naturală, sintetică și biologica. În primul rand, pe cale naturală se obține din roci magmatice, cum ar fi: apatita și zacamintele de fosforite din Maroc, Algeria și Tunisia.

Pe cale sintetică se obține în laborator prin sinteză chimică, existând astazi o adevarată industrie medicală de fabricație a acestui produs. Hidroxiapatitele obținute pe această cale

15

sunt reprezentate de cerapatit, tecmafix și trans-ossatit. Ultima cale este cea biologică, realizată de organimele vii, apatit biologic, care are ca precursor fosfatul tricalci. Endobonul este un hidroxiapatit biologic obținut din femurul de bovină prin urmatoarele etape tehnologice: autoclavare, piroliză la 900ºC, ceramizare la 1200ºC,4 zile și sterilizare cu raze gama.

Hidroxiapatita este frecvent utilizată pentru aplicații ortopedice, dentare și maxilofaciale, fie ca material de acoperire pentru implanturile metalice, fie ca material de umplere osoasă. La umplerea defectelor osoase și a spațiilor libere din os se utilizează hidroziapatită sub formă de pulbere, blocuri poroase sau perle. Umplutura osoasă va forma un schelet și va înlesni umplerea rapidă a porilor de catre țesutul osos natural în creștere. Hidroxiapatita ca material de umplere reprezntă o alternativă la grefele osoase, devenind parte componentă a structurii osului și micșorând timpul mecesar vindecării țesutului bolnav.

5.2 Vitroceramici

Vitroceramicile sunt solide policristalibe obțibnute prin cristalizarea controlată a

sticlelor. Prima vitroceramică am fost realizată de catre Stookey, plecând de la sticle în care

precipitau mici cantități de cupru sau argint sub influența radiațiilor ultraviolete. Aceste tipuri

de vitroceramici au fost folosite ca sisteme fotosensibile.

Caracteristicile vitroceramicilor sunt date de modul în care o sticla deja obținută este

supusă unor tratamente termice controlate, astfel încat, să nu se modifice fazele cristaline, ci

doar mărimea granulelor, a căror diametru final să fie cuprins între 0,5-1μm.

În comparație cu materialele ceramice (hidroxiapatite sau apatite), vitroceramicile au

urmatoarele caracteristici:

coeficient de dilatare termică foarte scăzut;

rezisteță mecanică marită prin controlarea dimensiunii;

capacitate de a se lega de osul viu, deoarece se formează un strat de fosfat de calciu și

un strat bogat in dioxid de siliciu.

Proprietațiile esentiale ale vitrocramicilor sunt biocompatibilitatea și legătura cu țesutul

viu. Pentru a îndeplini aceste două condiții, în compoziția de bază a sticlelor se adaugă ZnO și

B2O3 , dar nu în cantități mari. Creșterea cantității de ZnO are ca efect mărirea rezistenței

mecanice, a stabilității chimice.

16

În aplicațiile medicale, vitroceramicile pe lângă rezistență mecanică, stabilitate

chimică și rezistență la șoc termic, trebuie să mai prezinte excelente performanțe de

prelucrare, cât și similaritate cu a dintelui (aspect și culoare). Obținerea unor astfel de

materiale este posibilă prin înglobarea în compoziție a aliminei. În felul acesta CaO din

compoziție pe de o parte va forma lanț fosfatic cu tetraedre fosfat, iar pe de altă parte va forța

pătrunderea aluminiului în lanțul fosfatic, adică se vor forma tetraedre AlO4 .

Actualmente în uz clinic se găsesc urmatoarele vitroceramici:

BIOVERIT cu o bună rezistență la întindere, compresiune, elasticitate, care se

folosește la obținerea vertebrelor.

BIOGLASS-45S5 este o sticla bio cu 45% SiO și 45% Na2O cu CaO. Această sticlă se

poate lega, chiar și de țesuturile moi.

CERAVITAL prezintă bioactivitate și rezistență medie și din punct de vedere al

compoziției este apatită și sticlă. Ca și bioglasul poate fi folosit la realizarea de oase

ale urechii medii.

CERABONE A-W prezintă o deosebită activitate și rezistență mecanică, se folosește

pentru realizarea de vertebre artificiale și interstiții iliace.

IMPLANT L1 în compozitie cu cerabone a-w pezintă o slabă rezistentă mecanică și se

folosește pentru implanturile maxilo-faciale.

Privind caracteristicile exemplelor, cerabone a-w este cel mai performant material.

În concluzie, biomaterialele ceramice reprezintă materiale naturale, sintetice sau

compozite aflate în contact cu ṭesuturile vii ṣi cu fluidele lor biologice. Acestea au raspuns la

nevoia omului de a înlocui sau completa țesuturi și organei, care nu mai sunt active din punct

de vedere funcțional fiind afectate de diferite procese distructive precum: fracturi, infecții,

cancere.

Materialele ceramice ca şi compozitele pe bază de materiale ceramice sunt produse de

excepţie pentru domeniile medicale deoarece se caracterizează prin biocompatibilitate ridicată

la contactul cu ţesutul viu, cu sângele (hemocompatibilitate), cu ţesuturile naturale tari

(osoase). În plus, unele ceramici contribuie în mod decisiv la regenerarea oaselor naturale, la

înlocuirea cu succes a oaselor bolnave (ceramica bioactivă).

17

Domeniile de aplicabilitate ale biomaterialelor ceramice descrise: alumina, zirconia,

biomaterialele pe bază de carbon, hidroxiapatita și vitroceramicile sunt vaste. După cum se

observă din figura 4 bioceramicile sunt utilizate pentru restaurări ale craniului, keratoproteze,

implanturi otolaringologice, implanturi dentare, valve cardiace artificiale, inimi artificiale

articulații pentru șold, genunchi sau degete, dispozitive ortopedice de fixare și multe alte

aplicații.

Fig.4-Biomateriale ceramice și aplicațiile lor [http://stockproject1.deviantart.com/art/Human-

Skeleton-12029879-194270522]

18

BIBLIOGRAFIE

1. Gheorghe Pop, Mihai Chiriță, Monica Rostami. Materiale bioceramice. Editura

Tehnopres Iași, 2003

2. http://www.revista-informare.ro/showart.php?id=232&rev=8

3. http://www.medica.ro/reviste_med/download/stoma/2009.4/Stoma_Nr-4_2009_Art-7.pdf

4. http://www.scribd.com/doc/36944446/CERAMICI-BIOCOMPATIBILE

5. http://stockproject1.deviantart.com/art/Human-Skeleton-12029879-194270522

19