2014 -FIM-PIBT-C5

38
Procese de interfata biomaterial - tesut CONF. STANCU IZABELA| CURS 5

description

Procese de interfata biomaterial-tesut

Transcript of 2014 -FIM-PIBT-C5

  • Procese de

    interfata

    biomaterial - tesut

    CONF. STANCU IZABELA| CURS 5

  • Obiective specifice

    In finalul acestui modul studentii vor fi capabili:

    - sa identifice principalele fenomene de interfata

    - sa inteleaga factorii care contribuie la manifestarea acestor fenomene

    - sa inteleaga factorii care ajuta la aderenta biomaterialelor la tesuturi

    - sa explice cum se pot controla anumite fenomene de interfata

  • Sa ne amintim (curs 2) - Proprietatile materialelor

    Etape in proiectarea / obtinerea unui biomaterial

    Biomaterial: caiet general de sarcini specificatii cheie

    Proprietati de material si de produs

    Proprietati de suprafata

    Va mai amintiti?

    Numiti cateva aspecte cheie, in ordine.

  • Interfata = suprafata dintre doua medii

    = (conform Larousse Science) limita de contact subtire dintre doua

    substante, materiale sau faze, dintre care una sau amandoua pot fi solide, lichide sau gazoase. [The Williams Dictionary of Biomaterials]

    Interfata biomaterial tesuturi: Interfata dintre un organism si un biomaterial este critica pentru succesul

    biomaterialului.

    Proprietatile interfetei depind: (i) de caracteristicile biomaterialului (ii) de particularitatile tesutului gazda

    (iii) de tehnica de aplicare

    A. Sa intelegem suprafetele

  • Biointerfata:

    Cea mai simpla biointerfata se genereaza atunci cand o biomolecula (ADN,

    ARN, anticorp etc.) atinge o suprafata solida.

    Biointerfete mai complexe apar atunci cand obiecte biologice mai mari

    (virus, membrana, celula) ating materiale sintetice.

    Stiinta biointerfetelor dedicata intelegerii si controlului comportamentului unitatilor biologice pe diverse suprafete.

    Competente de interfata (multi- si inter-disciplinare): chimie analitica,

    biochimie, stiinta suprafetelor, biologie, biologie moleculara, microbiologie, fiziologie, patologie, medicina.

    Cunoasterea PIB-T: - Intelegerea unor fenomene celulare, tisulare, terapeutice - Imbunatatirea performantelor biomaterialelor implantabile

    - controlul fenomenelor de vindecare

    - http://biointerface.org/

  • htt

    p:/

    /ww

    w.f

    lickrive

    r.c

    om

    /ph

    oto

    s/jo

    olir

    ee

    /2097474963/

    Suprafata / Interfata - cheia succesului unui biomaterial

    Din cele mai vechi timpuri Importanta comunicarii unanim recunoscuta.

    Oamenii vorbesc chiar de dincolo de timpuri, limba, cultura prin monumentele neolitice, oamenii din Neolitic ne vorbesc

    Mesajul transmis:

    prin monumentul in sine

    prin mesajul intentionat

    prin ceea ce arheologul intelege / interpreteaza

    Piatra sculptata Newgrange, Irlanda

    (The Megalithic Passage Tomb at Newgrange was built about 3200 BC

    Piatra centrala 2m lungime, 1.2 m inaltime, 5 tone.)

  • Unelte neolitice http://fineartamerica.com/featured/neolithic-tools-granger.html

    Callanish, in Scotia, http://www.parodos.it/potpourrimehrin.htm Stonehenge, http://web.tiscalinet.it/Krystallos/l'arcana%20conoscenza.htm

    http://www.flickr.com/photos/bobusher/3513131022/in/photostream/

    I. Componente masive - materialul in sine

    II. Texturarea suprafetei - topografie

    Suprafata / Interfata - cheia succesului unui biomaterial

  • Scheletul intern al unui melc

    Biomimetism, bioinspiratie - mimarea elementelor naturale

    Scara interioara a unui turn din catedrala

    La Sagrada Famlia, Barcelona, Spania

    [din Learning from Nature How to Design Biomimetic Calcium-phosphate Coatings By I. B. Leonor, H. S. Azevedo, I. Pashkuleva, A. L. Oliveira, C. M. Alves, R. L. Reis]

    Preocupare permanenta

  • In organism organele, tesuturile, celulele isi vorbesc. Intelegerea acestui limbaj este extrem de dificila si inca, in ciuda progresului urias din ultimii ani, ramane

    incompleta, dar permite specialistilor in materiale sa avanseze in design-ul de

    biomateriale implantabile.

    Integrarea unui implant depinde in mod critic de proprietatile interfetei biomaterial-tesut si, deci, si de caracteristicile suprafetei.

    Integrare implant interfata B-T suprafata biomaterial

    Mimarea/reproducerea elementelor care definesc o anume suprafata, creste

    sansele de recunoastere a acelei suprafete de catre tesut / celule.

    Analiza fenomenelor de interfata poate incepe cu analiza suprafetelor

    biomaterialelor, suprafete care au fost concepute dupa analiza compozitiei,

    structurii, texturii tesutului gazda.

    Comunicare B-T prin suprafete

  • Photomicrograph of enamel surface etched with phosphoric acid solution for 1 minute. (Courtesy Dr. JB Dennison, University of Michigan School of Dentistry, Ann Arbor, Mich.) [FIGURE 4-2 in Direct Esthetic Restorative Materials, Dental Materials PROPERTIES AND MANIPULATION, Seventh Edition, Robert G. Craig, John

    M. Powers, John C. Wataha, Copyright 2000 by Mosby, Inc. ISBN 0-323-00512-8 (alk. paper)]

    Suprafata smaltului dentar dupa tratament cu acid

    Nanorugozitate

    Exemplu de suprafata/structura

    naturala ce va intra in contact cu

    biomateriale

  • Hierarchical structure of the human vertebra, as an example of cancellous bone. The human vertebra is filled with a highly porous structure of spongy appearance. The trabeculae forming this cellular material are typically 200 micrometer wide and made of a composite of collagen and calcium phosphate mineral. This composite has a lamellar structure, where each lamella consists of layers of parallel mineralised collagen fibrils. Individual collagen fibrils have a

    diameter of a few hundred nanometers, while the individual reinforcing mineral particles have a thickness of only a few nanometers. [Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes, edited by R. L. Reis and S.Weiner]

    Organizarea ierarhica a osului

    - vertebre

  • Hierarchical structure of materials in the bone family, following Weiner and Wagner [2]. The bone family of materials includes in addition to

    the various bone types, mineralized tendon and the different forms of

    dentin. (Figure reproduced from Weiner and Wagner).

    [Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials:

    From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and

    Processing Routes, edited by R. L. Reis and S.Weiner]

    Organizarea ierarhica a osului

    Alt exemplu de suprafate/structuri

    naturale

  • [Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to

    Biomimetic Materials and Processing Routes, edited by R. L. Reis and S.Weiner]

    Orientarea particulelor minerale in jurul unui osteon

    Os lamelar tipic osului

    compact

    Urma unui vas de

    sange

    Straturi concentrice de lamele osoase in

    jurul vasului de sange formeaza un osteon

  • Abordare biomimetica pentru biomateriale de

    regenerare osoasa

    Elemente cheie urmarite:

    1) mimarea compozitiei:

    colagen (gelatina) + HA (fosfati de calciu)

    2) mimarea arhitecturii:

    porozitate interconectata, pori mari, cu orificii de comunicare suficient de

    largi pentru a permite colonizarea cu celule si vase de sange 3) mimarea microstructurii:

    nanocristale, nanorugozitate, porozitate pe suprafata implantului

  • Hidroxiapatita (HA):

    osteoinductiva (A) si ne-osteoinductiva (B).

    Exemple de biomateriale implantabile in os

    [din Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes, edited by R. L. Reis and S.Weiner]

    Caracterul osteoinductiv se asigura prin recunoasterea microstructurii de catre

    osteoblaste.

    Osteoblastele sunt celule care depind de ancorarea pe suprafete. Recunoasterea

    suprafetei biomaterialului rol capital in aderarea osteoblastelor si in formarea de tesut osos nou.

    Implant biomimetic

  • Exemple de biomateriale implantabile in os

    [din Learning from Nature How to Design New Implantable Biomaterials: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes, edited by R. L. Reis and S.Weiner]

    Acoperiri biomimetice

    Fotografii ESEM (marire

    2500x): acoperiri prin

    tratament cu 2 tipuri de

    SBF*.

    dupa Habibovics et al.

    Caracterul osteoinductiv se asigura prin recunoasterea suprafetei implantului de

    catre osteoblaste. Recunoasterea suprafetei biomaterialului rol capital in aderarea osteoblastelor si in formarea de tesut osos nou. De aceea se practica acoperirea

    biomaterialului cu apatita obtinuta prin procese biomimetice.

    *SBF synthetic body fluid

  • Legarea favorabila intre HA poroasa si os cortical. SEM 1400x.

    [din Biomaterials in Orthopedics, MARCEL DEKKER INC. ISBN: 0-8247-4294-X]

    Interfete ceramica - os

    Materiale ceramice:

    1)Sisteme de eliberare de elemente

    bioactive: mediatori, celule,

    medicamente

    2)Factori care influenteaza

    comportamentul: tipul, structura,

    metoda de obtinere, originea (naturala

    sau sintetica), compozitia, proprietatile

    mecanice, porozitatea (morfologie,

    dimensiune, interconectare, densitate),

    geometria, granulatia, cristalinitatea

    3)Proprietatile de suprafata depind de:

    grupe chimice, rugozitate, viteza de

    degradare, solubilitate.

  • Exemple de Biomateriale ceramice implantabile

    Martor, Os alogenic, apatita naturala,

    hidroxiapatita sintetica, carbonat de calciu in

    mandibula de caine. (A) cavitati in mandibula;

    (B) implantare; and (C) dupa 4 saptamani -

    macroscopic. Also note periosteal

    reaction at sites where biomaterials were in

    contact with the implants.

    [din Biomaterials in Orthopedics, MARCEL DEKKER INC.

    ISBN: 0-8247-4294-X]

  • Natura cercetator fara egal

    Stiinta (bio)materialelor in ciuda complexitatii - problematica mult simplificata pentru controlul parametrilor

    de proces si al proprietatilor produselor implantabile.

    Importanta cunoasterii materialelor pentru pregatirea

    interfetelor optime biomateriale - tesuturi.

    In concluzie

  • Interfete metal - os

    [din

    Bio

    ma

    teria

    ls in

    Ort

    ho

    pe

    dic

    s, M

    AR

    CEL

    DEK

    KER

    IN

    C. IS

    BN

    : 0

    -82

    47

    -42

    94

    -X]

    Complexitate fenomenologica

  • [din

    Bio

    ma

    teria

    ls in

    Ort

    ho

    pe

    dic

    s, M

    AR

    CELD

    EK

    KER

    IN, C

    . IS

    BN

    : 0

    -82

    47-4

    29

    4-X

    ] Interfete polimer - os

    Complexitate

    fenomenologica

  • Pornind de la componentele matricei celulare: polimeri, ceramice si

    materiale compozite

    Pornind de la caracteristici mecanice si de textura: hidrogeluri, metale

    Pornind de la durata de viata: stabile, biodegradabile (bioerodabile)

    Pornind de la mimarea caracteristicilor suprafetei: filme, grefe, acoperiri.

    B. Tipuri de materiale

  • Polimeri Polimeri (macromolecule) substante cu proprietati deosebite fata de compusii mic moleculari. Masa moleculara medie; polidispersitate.

    Nu exista o limita superioara a masei moleculare, deoarece polimerii reticulati reprezinta structuri tri-

    dimensionale (3D) cu mase moleculare uriase.

    Sunt formati din unitati structurale care se repeta uneori numite meri. Generalitati

    Tip : - naturali : ex. Polizaharide, proteine

    - semi-sintetici : ex. polizaharide modificate

    - sintetici : ex. Poliesteri, poliamide, poliuretani

    Proprietati : - structura chimica

    - proprietati fizico-chimice de masa

    - proprietati superficiale

    - modificari induse de mediu si timp

    Prelucrare : - filme

    - matrici ne-poroase sau poroase

    - fibre

    - particule

  • FIM AN III PIBT CURS 3

    Polimeri

    Polimeri grefati

    Polimeri ramificati

    Retele polimerice

    monomers

    building blocks

    polymerizationpolymers

    Monomer unic Polimerizare

    Homopolimer linear

    monomers

    building blocks

    polymerizationpolymers

    > 2 monomeri

    Polimerizare

    (Copolimerizare

    Reticulare ) Copolimer statistic

    alternant

    bloc

    Homopolimer

    Copolimer statistic

    Copolimer alternant

    Bloc copolimer

  • FIM AN III PIBT CURS 3

    HO C

    O

    C

    O

    OH HO C

    O

    C

    O

    OHH O O H H O O H

    H2O

    O C

    O

    C

    O

    O O C

    O

    C

    O

    OOC

    O

    esterPOLYESTERPoliester

    Metode de sinteza I. Polimerizarea condensativa

    HO CH2CH2 OH +n n

    ethylene glycol terephtalic acid

    O

    CHO OH

    O

    C

    Dacron

    poly(ethylene terephtalate)

    PETR

    H2O+ (n - 1)n

    C

    O

    OCH2CH2 O C

    O

    Etilen glicol Acid tereftalic Poli(etilen tereftalat) / PET

    (Dacron)

  • FIM AN III PIBT CURS 3

    Schematic:

    with ZX + Y

    X Y Z Z Z

    +X X Y Y Z Z Z with ZX + Y

    X Y Z Z Z

    +X X Y Y Z Z Z

    Exemple:

    HO R OH +

    H2N R OH

    HO R OH +

    poly(ester)HOOC R' COOHnn

    O R O C

    O

    R' C

    O

    poly(amide)+ n HOOC R' COOHn

    NH R NH C

    O

    R' C

    O

    poly(urethane)

    N R' N C OCOn

    n

    C

    O

    NH R' NH C

    O

    O R O

    HO Si

    CH3

    CH3

    OHn siliconeO Si

    CH3

    CH3

    O

    n

    poliester

    poliamida

    poliuretan

    Metode de sinteza I. Polimerizarea condensativa

  • Metode de sinteza II. Polimerizarea aditiva (inlantuita)

    FIM AN III PIBT CURS 3

    CH2 CH

    R

    CH2 CH

    R

    CH2 CH2 CH2 CH2 npoly ethene

    CH2 CH

    CH3

    CH2 CH

    CH3

    poly propene

    CH2 CH

    Cl

    CH2 CH

    Cl

    npolyvinylchloride

    CH2 C

    CH3

    COOCH3

    CH2 C

    CH3

    COOCH3

    polymethylmethacrylate

    Polimer vinilic

    Polietilena (PE)

    Polipropilena (PP)

    Policlorura de vinil

    (PVC)

    Polimetacrilat de metil

    (PMMA)

    Initiatori: radicalici, ionici; termosensibili, fotoinitiatori; sisteme redox

    monomer Unitate structurala

    Polimer

  • Tranzitii de faza impact asupra proprietatilor in vivo

    Polimerii pot fi amorfi sau semi-cristalini

    Tg

    Tg: tranzitie vitroasa/sticloasa (amorf sticlos amorf inalt elastic)

    rubbery + crystals

    liquid

    glass

    E

    TTg Tm Tfl

    rubbery

    Tm: topirea fazei cristaline

    (cristalin amorf)

    Tf: tranzitie de curgere

    (amorf inalt elastic amorf fluid vascos)

    FIM AN III FIBT CURS 3

  • Amestecuri

    sau

    copolimeri bloc

    formare de domenii; separare de faze

    FIM AN III PIBT CURS 3

    +

    Polimeri (in)compatibilitate

  • Polimeri diferente intre proprietatile materialului bloc si cele superficiale

    tendinta de minimizare a energiei superficiale

    suprafete dinamice se pot reorganiza

    2

    C H 2 C

    C H 3

    C O

    O

    C H 2

    O H

    CH2 C

    CH3

    C O

    O

    CH2

    OH

    2

    Poli(2-hidroxietil metacrilat) PHEMA

    In aer In medii apoase

  • consumabile medicale: bandaje, adezivi, inlocuire si fixare:

    Tesuturi moi: - suturi, benzi adezive, copci

    - piele artificiala

    - implantologie maxilofaciala

    - grefe vasculare, valve cardiace

    - dispozitive pentru inima si rinichi

    - rinichi artificial

    Tesuturi dure: - osos

    - articulatii

    - dentar

    rol terapeutic: - eliberare controlata

    Polimeri aplicatii

    Toate metodele de sinteza si proprietatile pot fi rational exploatate si combinate pentru

    a sintetiza materiale cu performante adaptate unor aplicatii specifice.

  • FIM AN III PIBT CURS 3

    Polimeri aplicatii

    Implant de sold

    UHMW PE

  • ex. - PET

    - PET + PHEMA

    FIM AN III PIBT CURS 3

    Polimeri aplicatii

    Tendon artificial

  • Lentile oculare

    dure, rigide: PMMA

    moi: PHEMA

    Polimeri aplicatii

    Dermabond

    Polimerizare spontana in apa,

    sange.

    Adezivi chirurgicale

    2-Octil Cianoacrilat

  • CO2, H2O, minerale

    solubilizare

    Scindarea

    lantului

    fragmentare

    Polimeri biodegradabili

    Mecanisme:

    Hidroliza (poliesteri)

    Enzimatic (proteine)

    Bioeroziune (poliuretani)

    polieter diol (PTMO) + MDI + etilen diamina

  • Polimeri biodegradabili

    Mecanismul I scindarea reticularilor dintre lanturile solubile

    Mecanismul II transformarea sau scindarea grupelor secundare X cu

    formarea de grupe polare Y

    Mecanismul III scindarea legaturilor dintre intre unitatile structurale

  • 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 http://www.cbte.pratt.duke.edu/biomaterials-tutorials Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009

  • Questions? ?