of 46 /46
 Curs 2 NOŢIUNI GENERALE BIOMATERIALE ŞTIINŢA MATERIALELOR BIOCERAMICE  Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea de Inginerie Medical ă 

Curs 2 - Notiuni Generale Biomateriale FIM

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Notiuni Generale Biomateriale

Citation preview

  • Curs 2

    NOIUNI GENERALE BIOMATERIALE

    TIINA MATERIALELOR BIOCERAMICE

    Universitatea POLITEHNICA din Bucureti Facultatea de Inginerie Medical

  • Domeniul Biomaterialelor moderne este prea nou pentru ca o istorie formal s fi fost deja scris.

    Romanii, chinezii sau aztecii foloseau aur pentru refacerea dinilor cu 2000 de ani n urm.

    Ochii din plastic sau dinii din lemn sunt des menionai n istorie.

    ISTORIC

    Protez de deget descoperit la o

    mumie egiptean

  • n 1838 Elias Wildman a realizat primii dini din porelan.

    n 1886 H. Hansmann experimenteaz utilizarea plcilor din oel placate cu Ni pentru fixarea fracturilor osoase.

    ISTORIC

  • La nceputul secolului XX s-au descoperit i sintetizat materialele plastice, multe teste fiind realizate pentru utilizarea acestora ca biomateriale. n lumina cunotinelor pe care le avem astzi, multe

    dintre acestea erau sortite eecului. Polimetil metacrilatul PMMA a fost introdus n

    stomatologie n 1937. n timpul celui de-al doilea rzboi mondial, achii de

    PMMA din alctuirea tunurilor au intrat accidental n ochii soldailor, artnd c exist materiale care provoac o reacie slab a esuturilor.

    Dup cel de-al doilea rzboi mondial Voorhees a experimentat utilizarea pnzei de paraut pentru realizarea protezelor vasculare.

    ISTORIC

  • n 1920 a fost injectat o suspensie 5% de fosfat tricalcic n osul radial al oarecilor. Analizele radiografice au relevat c defectul injectat

    cu fosfat tricalcic a avut o cretere osoas mai rapid i o legare mai bun dect proba martor.

    Prima bioceramic testat pe scar larg a fost ipsosul. Descrieri n acest sens dateaz nc de la nceputul

    secolului trecut. O etap important n folosirea ipsosului n chirurgia

    ortopedic a fost realizat n 1952, cnd s-a raportat umplerea cu succes a unei caviti tibiale cauzat de un abces.

    ISTORIC

  • Anul 1963 este foarte important din punct de vedere al istoriei bioceramicii. n acel an, s-a raportat dezvoltarea unui nou

    sistem ceramic pentru reconstituirea osoas, prin impregnarea unei ceramici poroase cu o rin epoxi.

    Acest material imit caracteristicile fizice ale osului.

    ISTORIC

  • n continuare cercetrile s-au diversificat i pe lng dezvoltarea bioceramicii aproape inerte la nceputul anilor 70, o nou direcie a aprut n domeniul biomaterialelor.

    Hench (1972) i colaboratorii au proiectat un sistem compoziional n care au fost preparate sticle cu proprieti speciale: SiO2CaO-P2O5-Na2O. Aceste sticle, implantate n femurul oarecilor, nu mai

    puteau fi extrase dup numai 6 sptmni in vivo.

    Anii 80: ceramica fosfatic a fost utilizat pentru implanturi, n chirurgia reconstructiv maxilo-facial.

    ISTORIC

  • Milioane de proteze ortopedice realizate din materiale

    bioinerte au fost implantate, pn la 85% dintre ele nregistrnd o durat de via de 15 ani. Realizate din aliaje metalice, polimeri sau ceramici

    bioinerte. Creterea mediei de via a populaiei, n era

    modern, conduce la necesitatea proiectrii unor implanturi a cror durat de via s depeasc 30 de ani. Este necesar schimbarea filozofiei n

    abordarea cercetrilor, urmrindu-se dezvoltarea de materiale care s permit nu nlocuirea esuturilor, ci regenerarea acestora!

    ISTORIC

  • Este necesar schimbarea filozofiei n abordarea cercetrilor, urmrindu-se dezvoltarea de materiale care s permit nu nlocuirea esuturilor, ci regenerarea acestora! O astfel de schimbare de la o abordare bazat

    pe noiuni din domeniile tiinei materialelor i mecanicii, ctre repararea biologic a esuturilor, presupune nelegerea i utilizarea mecanismelor biologiei celulare.

    ISTORIC

  • Dezvoltarea domeniului biomaterialelor este

    condiionat i de descoperirile n alte domenii, i n special de cele n tiinele medicale. 1860 1870, J. Lister: tehnici chirurgicale

    aseptice; 1958, S. Furman, G. Robinson: prima stimulare

    cardic direct, realizat cu succes; Anii 70, W. J. Kolff: implant cardiac total.

    ISTORIC

  • Nanotehnologiile sunt una dintre descoperirile cheie

    ale secolului XXI, acestea deschiznd noi oportuniti i n domeniul biomaterialelor. Operarea la nivel nanometric, aa cum organismele

    vii funcioneaz, deschide calea ctre realizarea unor noi biomateriale, cu noi aplicaii: o ingineria esuturilor; o eliberarea controlat a medicamentelor sau a altor

    substane; o tratarea cancerului; o aducerea oxigenului n esuturi distruse etc.

    ISTORIC

  • Nanotehnologiile sunt una dintre descoperirile cheie

    ale secolului XXI, acestea deschiznd noi oportuniti i n domeniul biomaterialelor. Este astfel posibil dezvoltarea de noi materiale, cu

    proprieti mbuntite, n ceea ce privete biocompatibilitatea, caracteristicile fizico-mecanice i chimice;

    Se pune accentul pe imitarea naturii n prepararea materialelor cu aplicaii biomedicale, i nu numai;

    Se vorbete despre nanoroboi, nanosenzori etc.

    ISTORIC

  • DOMENIU CUNOTINE

    tiina i ingineria

    materialelor

    Relaia structur proprieti n cazul materialelor sintetice i biologice, printre care metale, materiale ceramice, polimeri, compozite, esuturi (esut sanguin i esut conectiv), proiectarea i dezvoltarea de materiale cu proprietile dorite, n funcie de aplicaii, etc.

    Biologie i fiziologie

    Biologie celular i molecular, anatomie, fiziologie animal i uman, histopatologie, chirurgie experimental, imunologie etc.

    tiine medicale

    Stomatologie, neurochirurgie maxilofacial, obstetric i ginecologie, oftalmologie, ortopedie, otorinolaringologie, chirurgie plastic i reparatorie, chirurgie toracic i cardiovascular, medicin i chirurgie veterinare, etc.

    Domenii de cunotine necesare pentru dezvoltarea BIOMATERIALELOR

  • ACIUNEA

    Identificarea nevoii tratarea unei boli nlocuirea unui organ cosmetic

    Design-ul dispozitivului

    Sinteza materialului

    Testarea materialului proprieti mecanice toxicologie biocompatibilitatea (proteine, celule, esuturi) biostabilitatea (mecanic, chimic)

    Testarea dispozitivelor toxicologie biointeraciunea in-vitro testarea pe animale

    Aspecte formale aprobarea de introducere pe pia studii clinice limitate ncercri clinice urmrirea pe termen lung

    Fabricaie

    Sterilizare i mpachetare

    Utilizarea clinic

    Analiza explantelor inventarierea explantelor examinarea patologic testarea n vederea determinrii motivelor pentru distrugere

    FACILITATOR

    Medic, dentist Cercettor Inventator

    Anatomopatolog Bioinginer

    Inginer, fizician, chimist

    Inginer

    Bioinginer Inginer mecanic Biochimist Veterinar

    Inginer, tehnolog

    Bioinginer, designer industrial

    Bioinginer Medic, dentist

    Experi aspecte formale Jurist

    Medic, dentist, optometrist

    IDEE

    PACIENT

  • Un biomaterial este orice material sintetic utilizat pentru a restabili sau nlocui funcia unui esut i care vine n contact cu fluidele fiziologice n mod continuu sau intermitent. Aceast definiie exclude materialele utilizate

    pentru realizarea instrumentelor chirurgicale sau dentare.

    DEFINIIE

  • Dei biomaterialele sunt n n primul rnd utilizate n aplicaii medicale, ele pot fi de asemenea utilizate: ca suport pentru culturile de celule; n dispozitivele pentru manipularea proteinelor n

    laborator; n realizarea recipienilor pentru conservarea

    celulelor sau esuturilor; n cultura artificial a scoicilor; pentru realizarea bio-chip-urilor pentru computere

    etc. Punctul comun al tuturor acestor aplicaii l

    reprezint interaciunea ntre sistemele biologice i sintetice.

    DEFINIIE

  • Un biomaterial trebuie s ndeplineasc anumite condiii: s fie biocompatibil

    s nu produc efecte nocive: toxice, alergice, cancerigene etc. asupra esuturilor vii;

    s fie stabil biochimic s nu sufere procese de degradare n timp, n contact cu

    mediul fiziologic, cu excepia cazurilor n care nu a fost anume proiectat n acest sens;

    s aib proprieti fizico - mecanice asemntoare cu cele ale esutului substituit, pentru a putea prelua n condiii optime funcia mecanic a acestuia; aceasta impune o anumit rezisten la rupere, uzur,

    oboseal, forfecare, dar i modul de elasticitate i densitate aparent adecvate.

    DEFINIIE

  • Biocompatibilitatea este proprietatea unui material de a ndeplini o anumit funcie n mediul fiziologic, provocnd n acelai timp un rspuns adecvat din partea organismului. noiune specific studiului biomaterialelor; nu exist o definire precis sau metode

    standardizate de testare direct a biocompatibilitii.

    DEFINIIE

  • Biocompatibilitatea este proprietatea unui material de a ndeplini o anumit funcie n mediul fiziologic, provocnd n acelai timp un rspuns adecvat din partea organismului. Este cunoscut faptul c nici un material strin

    implantat ntr-un organism viu nu este complet acceptat;

    Singurele substane care rspund complet acestei cerine sunt cele produse chiar de organism (autogene), orice alt substan, recunoscut ca strin, va iniia o form de reacie;

    DEFINIIE

  • Biocompatibilitatea este proprietatea unui material de a ndeplini o anumit funcie n mediul fiziologic, provocnd n acelai timp un rspuns adecvat din partea organismului.

    Provocarea pentru cercettorii n domeniul

    biomaterialelor este ca, utiliznd spre exemplu instrumentele furnizate de nanotehnologii, s reueasc s pcleasc organismele vii s considere materialele sintetice ca biogene sau autogene.

    DEFINIIE

  • Metode de reconstrucie a esuturilor distruse: Pentru nlocuirea oaselor cel mai adesea este

    folosit osul uman, dar utilizarea autogrefelor presupune o a doua intervenie chirurgical, cantitatea de os este limitat i tratamentul dificil.

    Se pot folosi alogrefele (denumite i oase de banc), caz n care cea de-a doua intervenie chirurgical este eliminat. Apar, ns, probleme legate de sterilizare i

    riscul transmiterii unor boli, cum ar fi hepatitele i SIDA.

    Cea de-a treia variant, halogrefele materialele sintetice, pare a fi cea optim.

    CLASIFICARE

  • ALUMINOASE

    Compoziie

    SILICATICE FOSFATICE ALTELE CERAMIC

    CARBONIC

    Alumino-silicatice Silico-fosfatice

    POLIMERI

    Alumina

    Sialon Porelan

    Sticl CERAVITAL

    CEROSIUM

    Compozite cu fibre de sticl

    Fibre de sticl

    HAp

    Cermei

    Titanai Zirconai

    Vitroceram

    Sticle Hench

    Sticle biologice ranforsate cu fibre metalice

    Grafit

    Carbon pirolitic

    Fibre de carbon

    Piese din carbon vitros

    CLASIFICARE

  • Tipul materialului Rspunsul esutului

    CLASIFICARE

    Toxic

    Biologic inert

    Bioactiv

    Resorbabil

    esutul nconjurtor moare

    se formeaz n jurul implantului capsule fibroase din esut

    se formeaz o legtur interfacial ntre materialul de implant i esut

    materialul se dizolv, fiind nlocuit de esutul nconjurtor

  • n general, biocompatibilitatea ceramicilor folosite la realizarea implanturilor se datoreaz fie prezenei ionilor cu toxicitate limitat (ex. Zr sau Ti), fie faptului c sunt alctuite din ioni care se regsesc n mod obinuit n mediul fiziologic (ex. ionii de Ca, P, K, Si, Mg, Na).

    Totui, prin definiie, materialele bioinerte au o durat de via limitat i de aceea exist un interes crescut pentru dezvoltarea implanturilor de a doua generaie, bioactive, care favorizeaz sau chiar induc regenerarea esutului natural.

    CLASIFICARE

  • CLASIFICARE

    Clasificarea bioceramicilor in functie de bioactivitate (a) bioinert (implant dentar din alumina) (b) bioactiv (acoperire de hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2)

    pe un implant dentar metalic) (c) bioactiv (biosticla sau biovitroceramica) (d) bioresorbabil (implant din fosfat tricalcic [Ca3(PO4)2]).

  • I. Materiale bioinerte

    Materialele inerte (sau aproape inerte) sunt n mod esenial stabile n organismul viu, sunt acceptate de corp i nu determin o reacie advers a esutului, neprovocnd interaciuni majore cu mediul fiziologic.

    n general conduc la formarea unui esut modificat n jurul implantului, numit esut fibros.

    Implanturile metalice se pot ncadra numai n aceast categorie, n timp ce doar materialele ceramice i polimerii se pot ncadra i n categoriile materiale bioactive sau resorbabile.

    CLASIFICARE

  • Suprafaa metalic implantat provoac eliberarea ionilor metalici n esuturile nconjurtoare, ca urmare a reaciilor redox cu lichidul fiziologic.

    Dac procesul de ncapsulare cu esut fibros nu este destul de rapid, eliberarea de ioni poate duce la necroza esutului nconjurtor.

    aliajele metalice folosite la realizarea implanturilor sunt inoxidabile, pasivate i/sau au un strat superficial de acoperire.

    I. Materiale bioinerte - metale

    CLASIFICARE

  • Metalele au fost n mod tradiional folosite pentru realizarea implanturilor supuse unor sarcini ridicate n corpul uman.

    Muli ani protezele de old au fost realizate din metal (osul femural) i polimeri (fosa acetabulului). Descoperiri recente sugereaz c frecrile ntre

    metal i polimer au un rol important n distrugerea implantului i n consecin un interes deosebit a fost ndreptat spre realizarea componentelor osului femural din materiale ceramice (alumina sau zircona).

    CLASIFICARE I. Materiale bioinerte - metale

  • Pentru materialele ceramice inerte, cum ar fi zircona (ZrO2) sau alumina (Al2O3), capsula fibroas care se formeaz n jurul implantului este n general de dimensiuni mai sczute dect pentru metale.

    Spre deosebire de metale, materialele ceramice nu prezint deformri plastice, caracterizndu-se prin rupere fragil, acesta fiind probabil cel mai mare dezavantaj al lor din punct de vedere fiziologic.

    Materialele ceramice se caracterizeaz printr-o rezisten la forfecare sczut i n consecin proiectarea componentelor implantabile trebuie s se fac astfel nct s fie valorificat rezistena la eforturi compresive relativ ridicat a acestora.

    CLASIFICARE I. Materiale bioinerte - ceramica

  • Carbonul este utilizat ca material bioceramic inert mai ales n form vitroas sau de grafit. stabil chimic; proprieti mecanice asemntoare cu ale osului; bacteriile manifest adeziune sczut la suprafaa

    implanturilor din carbon; nu favorizeaz coagularea nedorit a sngelui; utilizat pentru aplicaii n care vine n contact direct cu

    sngele, pentru realizarea valvelor artificiale pentru inim, implanturi la nivelul pielii etc.

    Nanotehnologiile au condus la descoperirea unor noi forme de carbon - bilele i nanotuburile de carbon: proprieti mecanice mult mbuntite; inerie chimic foarte ridicat; nu este ns bine cunoscut nteraciunea acestora cu

    mediul fiziologic.

    CLASIFICARE I. Materiale bioinerte - carbonul

  • Pentaoxidul de tantal a fost folosit ca anod la construcia electrozilor pentru aplicaii intracorticale cronice i stimularea selectiv n adncime a nervilor periferici.

    Porelanul, preparat iniial n sistemul compoziional de baz K2OAl2O3SiO2Na2O, este folosit cu succes pentru realizarea restauraiilor dentare.

    Ceramica cu proprieti feromagnetice, realizat pe baz de oxid de fier, este utilizat pentru tratarea tumorilor canceroase prin hipertermie sau pentru transportul controlat al medicamentelor.

    CLASIFICARE I. Materiale bioinerte

  • Sunt materiale care determin un anumit rspuns biologic la interfaa cu esuturile, care conduce la formarea unei legturi ntre implant i esut. Clasa A:

    osteoconductive i osteproductive; se pot lega de esuturile moi i dure; Ex.: sticla bioactiv n sistemul SiO2-CaO-P2O5-

    Na2O, fosfai de calciu. Clasa B:

    osteoconductive; se pot lega de esuturile dure; Ex.: HAp sintetic, dioxid de titan hidratat la

    suprafa (grupri Ti OH), CaCO3 natural, ipsos (CaSO4H2O).

    CLASIFICARE II. Materiale bioactive

  • Att ceramica fosfatic, ct i biosticlele sunt materiale cu rezisten mecanic relativ sczut, folosirea lor fiind astfel limitat la acele aplicaii n care rezistena este un factor de mai mic importan, aa cum este cazul refacerii crestei alveolare sau a oaselor urechii interne.

    Dac aplicaia vizat necesit rezisten mecanic ridicat, atunci ceramicile fosfatice sau sticlele biactive pot fi folosite ca acoperiri pe metale sau ceramici bioinerte.

    CLASIFICARE II. Materiale bioactive

  • Vitroceramica bioactiv este o bioceramic cu rezisten mecanic considerabil mai mare decat a sticlei corespunztoare, obinut din aceasta prin recristalizare.

    Ciment dentar: utilizat pentru restaurri dentare fixare de coroane i puni sau remineralizare. fosfatic:

    o ciment calcio-fosfatic component solid fosfat de calciu + component lichid apa;

    o ciment silico-fosfatic component solid pulbere de sticl alumino-fluoro-silicatic + component lichid acid ortofosforic parial neutralizat;

    glass-ionomer: component solid pulbere de sticl alumino-fluoro-silicatic + component lichid soluie apoas de acid poliacrilic sau copolimeri ai acestuia cu adaos de acid tartric;

    Ciment pentru fixarea oaselor/dentar: glass ionomer hibrid: component solid pulbere de sticl alumino-

    fluoro-silicatic + component lichid soluie apoas de acid poliacrilic sau copolimeri ai acestuia cu adaos de acid tartric i monomer metacrilic.

    CLASIFICARE II. Materiale bioactive

  • Materialele bioresorbabile servesc ca eafodaj temporar sau material de umplutur pn cnd, n mod treptat, are loc dezvoltarea esutului care le va nlocui i dizolvarea lor.

    Este deosebit de important cinetica procesului de dizolvare, aceasta trebuind s fie n acord cu cinetica de formare a esutului afectat.

    Constituenii din care aceste materiale sunt formate trebuie s fie uor de prelucrat pe cale metabolic normal.

    CLASIFICARE III. Materiale bioresorbabile

  • Implanturile resorbabile reprezint un stimulator al creterii esutului care a suferit degradarea, datorit faptului c prin dizolvarea lor furnizeaz local ionii necesari esutului osos pentru regenerare.

    Din categoria materialelor resorbabile fac parte: materialele ceramice: sulfatul de calciu,

    fosfatul trisodic, fosfaii de calciu; biosticle n sistemul SiO2-CaO-P2O5-Na2O.

    CLASIFICARE III. Materiale bioresorbabile

  • APLICAII MATERIAL Schelet nlocuirea articulaiilor (old, genunchi) fixarea fracturilor ciment pentru oase refacerea defectelor n oase ligamente i tendoane artificiale implanturi dentare

    Ti, aliaj Ti-Al-V, oel, polietilen, Al2O3, ZrO2 oel, aliaj Co-Cr PMMA, cimenturi fosfatice HAp Teflon, Dacron Ti, Al2O3, ZrO2, fosfai de calciu

    Sistemul cardiovascular proteze pentru vasele de snge valve pentru inim catetere

    Dacron, Teflon, poliuretan esuturi procesate artificial, oel, carbon siliciu, Teflon, poliuretan

    Organe inima artificial tipar pentru regenerarea pielii rinichi artificial aparat inim - plmni

    poliuretan compozit siliciu-colagen celuloz, poliacrilonitril silicon

    Simuri reabilitarea auzului lentile intraoculare lentile de contact bandajul corneei

    electrozi de platin PMMA, siliciu, hidrogeluri silicon-acrilat, hidrogeluri colagen, hidrogeluri

  • Domenii de aplicaii ale biomaterialelor

    APLICAII

  • Implant de old

    Detaliu Femur

    Ciment

    Pelvis

    Stem

    Fos

    Bil

    APLICAII

  • Implanturi i restauraii dentare

    APLICAII

  • Implant din ceramic fosfatic pentru ochi

    Suport din ceramic fosfatic pentru ingineria

    esuturilor

    APLICAII

  • Vindecarea unui defect provocat de o boal dentar, cu ajutorul sticlei bioactive

    APLICAII

  • Dezvoltarea celulelor osoase pe suprafaa fibrelor de sticl

    APLICAII

  • Valve metalice pentru inim, cu acoperire de carbon

    APLICAII

  • APLICAII

    Produs Material Proprieti

    Inel pentru fixare

    Ceramic compozit nanostructurat poroas (Al2O3+HAp)

    Porozitate > 20%, Structur poroas deschis

    Plcu Ceramic compozit nanostructurat dens (Al2O3+ZrO2+ HAp)

    Bio-inert, Radio transparent

    uruburi Ceramic compozit nanostructurat dens (Al2O3+ZrO2+ HAp)

    Bio-inert, Radio transparent

    Implanturi pentru coloana vertebrala

  • Chirurgia maxilo-facial

    APLICAII

    refacerea mandibulei prin tehnica imprimrii 3D; realizat din titan, acoperit cu un strat subire de bioceramic; la o zi dup operaie pacientul putea vorbii.

    Slide Number 1Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7 Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25I. Materiale bioinerteI. Materiale bioinerte - metaleSlide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45Slide Number 46