2014 -FIM-PIBT-C5
-
Upload
kisslenna4871 -
Category
Documents
-
view
238 -
download
1
description
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? ?