Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
MATERIAŁY
BIOCERAMICZNE
• Wada biomateriałów metalowych: własności
fizykochemiczne w nie w pełni dostosowane do
współpracy ze środowiskiem piezoelektryków i
przewodników organicznych
• Możliwość poprawy: wytworzenie na powierzchni
metali powłok bioceramicznych lub kompozytów
z udziałem bioceramiki
Historia
• XIX w.: fosforan sodu do regeneracji kości
• 1892: CaSO4
• Do 1971: porowaty Al2O3 nasączony
żywicą epoksydową
• Wyroby z mieszanin CaO-Al2O3, CaO-
TiO2, CaO-ZrO2
• Czysty Al2O3 (endoprotezy 1972)
• Od 1976: endoproteza biodrowa Hueffkop-
Prothese oraz całkowita endoproteza
biodrowa Huffegelenkopfe-Total-Prothese z
elementami bioceramicznymi
• Obecnie: różne typoszeregi endoprotez
stawowych z elementami ceramicznymi
• Badania: tribologia i biotolerancja
• 1972: nowy materiał szkło 2,6% P2O5
• Ceramika szklista
• Powłoki kompozytowe na osnowie szkła i ceramiki powierzchniowo-aktywnej o kontrolowanej resorpcji w organizmie
• Powłoki szkliste z węglem
• Powłoki silikonowe
• Powłoki z uwodnionym apatytem o strukturze krystalicznej i amorficznej
Charakterystyka materiałów
bioceramicznych
• Niektóre własności odmienne niż metale:
• porowatość umożliwiająca wrastanie tkanek
• większa wytrzymałość na ściskanie i
odporność na ścieranie
• większa odporność na korozję w
środowisku płynów i tkanek ustrojowych
• większa biotolerancja
• Materiały twarde i kruche: współczynnik
intensywności naprężeń na kruche pękanie
KIC jako wyznacznik
• Inne ważne wielkości: skład chemiczny i
fazowy, gęstość, twardość, wytrzymałość na
ściskanie i zginanie, moduł sprężystości,
odporność na ścieranie i korozję
Wady
• Tworzywa kruche o małej wytrzymałości na zginanie
• Nieodporne na obciążenia dynamiczne, nie wykazują odkształcalności
• Minimalizują, ale nie eliminują całkowicie zużywania się
• Dobra biotolerancja i możliwość wrastania tkanki
• Ceramika porowata: protezy żuchwowe,
segmenty sztucznej kości, trwale
zamocowane sztuczne kończyny: do porów
o regulowanej wielkości wrastają
unaczynione tkanki miękkie oraz kapilary z
osteocytami – nowa zregenerowana kość
• Ceramika bezporowata: elementy endoprotez
stawowych, w szczególności na główki osadzone
na trzpieniu; najlepsza konstrukcja – trzpień ze
stopu tytanu wprowadzony do kości udowej,
pokryty warstwą porowatą zrastającą się z tkanką
kości udowej. Trzpień zakończony głową z
bezporowatej ceramiki, która współpracuje
obrotowo z panewką bezporowatą luz
polietylenową
• Najlepsze: kompozyty
• Korelacja między wielkością porów i wrastaniem tkanki kostnej: optymalne wrastanie przy wielkości porów 100-150 m, maksymalnie szybkie 500-1000
• Podział:
• materiały bioceramiczne resorbowane w organizmie
• materiały z kontrolowana reaktywnością powierzchniową
• biomateriały obojętne
Biomateriały ceramiczne
resorbowane w tkankach
• Przede wszystkim kompozyty zawierające ortofosforany wapnia, w tym ceramika hydroksyapatytowa, biologicznie aktywna o największej biotolerancji
• 6 podstawowych soli kwasu ortofosforowego. Najbardziej interesujące: HAP i TCP
• Wytwarzanie: metody mokre (wytrącanie), suche (reakcje w stanie stałym), hydrotermalne (z udziałem pary wodnej), topnikowe (w obecności topnika), zol-żel (w roztworach alkoholowych i wodnych)
• Warstwy hydroksyapatytowe nanoszone także na powierzchnie implantów długotrwałych z biomateriałów metalicznych
• Napylanie plazmowe: proszek podgrzany palnikiem plazmowym do 20000-30000 K przy szybkości strumienia plazmy 1000 km/h
• Powłoka dwuwarstwowa: amorfizna zewnętrzna i krystaliczna wewnętrzna, 50-200 m
• Inne techniki: elektroforeza, techniki CVD i PVD, rozkład termiczny, rozpylanie jonowe, osadzanie elektrochemiczne, zanurzanie i spiekanie
Powierzchnia warstwy
napylonego
hydroksyapatytu
porowata, o ziarnach
zróżnicowanej wielkości
Zastosowanie bioceramiki
hydroksyapatytowej z praktyce medycznej
• Postać proszkowa: leczenie ubytków miazgi zębowej, zębiny w okolicach obnażonych szyjek zębowych, speforowanych kanałów korzeniowych
• Granule hydroksyapatytowe: leczenie ubytków kostnych przyzębia, wypełnianie pooperacyjnych ubytków kostnych w szczęce i żuchwie
• Kształtki porowate: wypełnienia poekstrakcyjne zębodołów
• Kształtki zagęszczone: implanty kostne dna oczodołu
Biomateriały ceramiczne z kontrolowaną
reaktywnością w tkankach
• Skład tak projektowany, aby powierzchnia
implantu, reagując ze środowiskiem
tkankowym oraz płynami ustrojowymi,
wytworzyła w wyniku reakcji chemicznych
właściwe połączenia substancji
nieorganicznych i organicznych
Historia
• USA 1971-75:
• bioszkła 2,6% P2O5 reagując z kością,
tworząc hydroksyapatyt i żel krzemu
• bioszkła z porowatością powierzchniową
• pokrycia bioszklane na tlenkach glinu i stali
kwasoodornej
• kompozyty złożone z bioszkieł i tlenku
glinu, polimerów i włókien syntetycznych
Reakcje bioszkieł
• Dyfuzja jonów sodowych z bioszkła i reakcja z jonami wodorowymi z tworzeniem powłoki powierzchniowej
• Uaktywnienie powierzchni z tworzeniem mikroporów
• Utworzenie powłoki bogatej w wapień i fosfor
• Wzrost powłoki powierzchniowej zawierającej fosforan wapnia jako skutek dyfuzji jonów wapnia i fosforu z roztworu
• Krystalizacja powierzchniowa i utworzenie struktur typu apatytu w środowisku lekko alkalicznym
Wytrzymałość szkieł na zginanie wynosi 50-100 MPa,
niewystarczająca, elementy z bioszkieł głównie do
wytwarzania protez wewnętrznych do regeneracji kości oraz
do powlekania protez metalowych
Bioszkła komercyjne• Bioglass: może łączyć się z miękką tkanką, mała
wytrzymałość mechaniczna
• Szkła ceramiczne apatytowo-wolastonitowe (wolastenit CaSiO3)
• Ceravital: Na2O-CaO-SiO2-P2O5-MgO
• Cerabone: bezalkaliczne z dodatkiem CaF2, wytrzymałość na zginanie 215 MPa, struktura fluoroapatytu i wolastonitu w matrycy szklanej, poprzez spiekanie proszku
• Bioglass zbrojony włóknem szklanym
• Szkła z udziałem TiO2 i ZrO2 przenoszące większe obciążenia
• Porowate materiały bioaktywne otrzymywane przez spiekanie proszków: apatytowo-berlinitowe
• Kleje ceramiczne na bazie szkieł CaO-SiO2
z roztworem fosforanu amonowego do klejenia kości lub mocowania implantu do kości
• Bioszkła stomatologiczne: glinokrzemiany magnezowe, krzemiany i fosforany cyrkonu, krzemiany litu, szkła jonomerowe światłoutwardzalne
Biomateriały ceramiczne
obojętne
• Wykazują minimalne zmiany chemiczne w
kontakcie z tkankami i roztworami
fizjologicznymi
• Reakcja tkanek: wytworzenie bardzo delikatnej,
kilkumikronowej włóknistej tkanki otaczającej
wszczep
• Umiejscowienie w środowisku tkankowym
sposobem mechanicznym: perforacja w szczepie,
nici, cement
• Typowe: Al2O3 (biokorund) i węgle pirolityczne
• Właściwości biokorundu: zawartość Al2O3 min.
95,5%, gęstość min. 3,9 g/cm3, średnia wielkość
ziaren < 7 m, mikrotwardość 2300 HV,
wytrzymałość na ściskanie 4000 MPa,
wytrzymałość na zginanie min. 400 MPa,
odpowiedni moduł Younga, odporność na
ścieranie, odporność korozyjna
• Bioceramika obojętna stosowana w postaci
wyrobów o gładkiej (elementy endoprotez
pracujących suwliwie) lub porowatej (na
powierzchnie, w które będzie wrastać
tkanka kostna) powierzchni
• Problem: starzenie
• Wrastanie tkanek uzależnione od wielkości
porów: optymalna wielkość porów 50-250
m, a głębokość wrastania do 1000 m
Biomateriały kompozytowe z
udziałem bioceramiki
Biomateriały metaliczne z
bioceramiką dla stomatologii