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