Aplicatiile biomaterialelor

Domenii de utilizareExemple

- Inlocuirea unei parti bolnave sau traumatizate;

-Asistenta in vindecare;

-Implementare functionala;

-Corectarea anormalitatilor functionale;

-Corectarea problemelor de cosmetica;

-Ajutor indiagnostic;

-Ajutor in tratament;-Articulatie articulatie a soldului , instalatie de dializa renala;

-Suturi , placi osoase , suruburi;

-Pacemaker cardiac , lentile de contact;

-Tija spinala Harrington;

-Mamoplastie;

-Sonde , catetere;

-Catetere , tub de dren;

Biomateriale in sistemele corpului uman

SistemExemple

Osos

Muscular

Digestiv

Circulator

Respirator

Tegumentar

Urinar

Nervos

Endocrin

Reproductiv

-placi osoase , inlocuiri totale de articulatii

-suturi

-suturi

-valve artificiale ale inimii , vase de sange

-instalatii de oxigen

-suturi , piele artificiala , cosmetica arsurilor

-catetere , instalatie de dializa renala

-tub de dren hirocefal , pacemaker cardiac

-grup de celule pancreatice microincapsulate

-mamoplastie ,alte inlocuiri cosmetice

Tipuri de materiale utilizate in corpul uman

MaterialeAvantajeDezavantajeExemple

Polimeri

-Nylon

-Silicon

-Teflon

-Dacron-elastic

-usor de fabricat-nerezistent

-se deformeaza in timp

-se poate degrada Suturi , vase de sange , ureche , nas , alte tesuturi moi

Metale

-Titan

-Otel inox

-Aliaj Co-Cr

-Aur-dur , rigid

-ductile-se poate coroda

-densInlocuiri de articulatii , suruburi , placi osoase , implantul radacinii dentare

Ceramice

-Oxid de aluminiu

-Carbon

-Hidroxiapatita-biocompatibile , inert

-rezistenta la compresiune-fragil

-dificil de obtinut

-neelasticStomatologie , implant de sold

Compozite

-Carbon pirolitic fibre de carbon

-dur

-usor de modelat-dificil de obtinut

Implant de articulatie , valve ale inimii ;

Caracteristicile biomaterialelor Fiabilitatea este o caracteristica importanta a biomaterialelor ; daca notam cu p valoarea numerica a probabilitatii de rupere, atunci fiabilitatea poate fi exprimata prin : f = 1 - p ;

Biocompatibilitatea reprezinta acceptarea unui implant artificial de catre tesutul inconjurator si de catre intregul organism;

Proprietati mecanice adecvate , cum ar fi duritatea , tenacitatea , rezistenta la oboseala ;

- Proprietati optice adecvate , in cazul in care materialul este utilizat pentru ochi , piele sau dinti;

Prelucrabilitatea ;

- Design ingineresc accesibil .Posibilitati de ameliorare a efectelor coroziunii

1. Ameliorarea coroziunii la impanturile ortopedice se poate face prin :

utilizarea de metale apropiate in sistemul periodic al elementelor;

evitarea implantarii a diferite tipuri de metale in aceeasi regiune a corpului;

crearea unui implant cu minime cavitati si fisuri;

evitarea contactului dintre instrumentele medicale metalice si implant;

recunoasterea faptului ca un metal care rezista la coroziune in mediul unei al corpului , se poate coroda intr-o alta regiune a aceleiasi corp.

2. Ameliorarea coroziunii la implanturile stomatologice se poate face prin :

evitarea utilizarii mai multor tipuri de metale in restaurarea dintilor pentru aceeasi cavitate bucala ;

utilizarea unei baze izolatoare la instalarea unei proteze metalice pentru a minimiza conductibilitatea electrica;

evitarea coditiilor ce duc la formarea tartrului , deoarece regiunile acoperite cu tartru au un pH redus care poate duce la coroziune;

Tabel 5 Seriile electrochimice standard

Reactia((( (volti)

Li ( Li+

Na ( Na+Al ( Al+Ti ( Ti+Fe ( Fe+H2 ( 2H+Ag ( Ag+Au ( Au+-3,045

-2,714

-1,66

-1,63

-0,44

0,000

+0,799

+1,68

Biomateriale ceramice

TipuriProprietatiUtilizari

Oxidul de aluminiu

Al2O3-(-biocompatibilitate foarte buna

-rezistenta la incovoiere

-duritate mare (9 pe scara Mohs )

-rezistenta la uzura-inlocuiri in articulatii

Hidroxiapatita

[Ca10(PO4)6(OH)2]-biocompatibilitate excelenta

-modul de elasticitate mare

-rezistenta la compresiune

-rezistenta la indoire

-duritate (5 pe scara Mohs)

-coeficient Poisson apropiat de cea a osului- implant de sold

Sticla ceramica-biocompatibilitate ridicata

-coeficient de dilatare termica foarte scazut

-rezistenta la tractiune-artroplastie

-ca material durificator

-ca material compozit dentar restaurativ

-ca material de acoperire

Carbonul-biocompatibilitate tisulara excelenta

-rezistenta mecanica buna-ca material de acoperire

-ca material component in cadrul compozitelor

Polimerizarea prin condensare

Se bazeaza pe reactii in etape intre monomeri , rezultatul fiind un subprodus de reactie (molecule mici- HOH,HCl etc.)

R-NH2 + RCOOH ( RCONHR + HOH

amina acid carboxilic amida molecula condensata

Tipuri de polimeri obtinuti prin condensare

Tipuri de polimerLegaturi intre unitatile fundamentale

Poliester O

-C-O-

PoliamidaO H

-C-N-

PoliureeH O H

-N-C-N-

Poliureta O H

-O-C-N-

PolixiloxanR

-Si-O-

R

Grupare peptidicaO H

-C-N-

Celuloza-C-O-C-

Polimerizare

Are loc datorita reactiilor chimice in lant dintre monomeri in conditiile in care niciodata nu rezulta subprodusi de reactie.

n CH2=CH2 ( -(CH2-CH2)-n

etena polietilena

Monomeri pentru polimerizare MonomerFormula chimica

AcrilonitrilCH2=CH-CN

EtilenaCH2= CH2

Metacrilat de metilCH2=CH-COOCH3

Metil metacrilat CH2=CCH3 COO CH3

PropilenaCH2=CHCH3

StirenCH2=CH-C6H5

Clorura de vinil CH2=CHCl

Diclorura de vinil CH2=CCl2

UNIVERSITATEA POLITEHNICA

BUCURESTIFACULTATEA STIINTA SI INGINERIA

MATERIALELOR

BIOMATERIALE

PREZENT SI VIITOR

COLECTIV:

Dinu Raluca

Stefan Teodora

Stan George

Valeanu Adrian

COORDONATORI:

Prof. Dr. Ing. DANIEL BUNEA

Prof. Dr. Ing. GEORGETA COSMELEATA

Prof. Dr. Ing. LIGIA STOICA

BIOMATERIALE

PREZENT SI VIITOR CUPRINS

1.Importanta biomaterialelor si perspectivadezvoltarii domeniului

2. Consideratii generale asupra biomaterialelor

2.1 Clasificare

2.2 Caracteristicile biomaterialelor

3.Biomaterialele metalice

3.1 Reprezentanti ai biomaterialelor metalice

3.2 Coroziunea metalelor folosite ca biomateriale

4. Biomateriale ceramice

4.1 Clasificarea biomaterialelor ceramice

4.2 Reprezentanti

4.2.1 Oxizi de aluminiu

4.2.2 Fosfatul de calciu

4.2.3 Sticla ceramica

4.2.4 Alte tipuri de materiale ceramice

5. Biomateriale polimerice

5.1 Reprezentanti

5.2 Deteriorarea polimerilor

6. Biomateriale compozite

6.1 Structura compozitelor

6.2 Proprietati mecanice

6.3 Tipuri de materiale compozite

7. Aplicatiile biomaterialelor

7.1 Proteze osoase. Mijloace metalice de fixare osoasa

7.2 Proteze articulare si dentare

7.2.1 Proteze articulare

7.2.1.1. Implanturi la nivelul membrelor inferioare

7.2.1.2. Implanturi la nivelul membrelor superioare

7.2.2. Implanturi dentare

7.3. Probleme de interfata in implanturile ortopedice

8. BibliografieImportanta biomaterialelor si perspectiva dezvoltarii domeniului.

Progresele inregistrate in medicina cu privire la osteosinteza si ortoplastie au impulsionat dezvoltarea cercetarilor in domeniul stiintei materialelor, pentru obtinerea unor materiale performante biocompatibile.

Anul 1958 reprezinta anul de referinta in perspectiva istorica a osteosintezei si ortoplastiei. In acel an, o companie elvetiana a introdus un set de instrumente si implanturi in osteosinteza moderna, iar materialul utilizat pentru implant a fost otelul inoxidabil Cr-Ni-Mo.

In acelas an s-a realizat pentru prima data o protezare de sold integral metalica, fara cimentare avand tija ddiafizara din aliaj Ti-4Al-2Sn si capul femural din aliaj de cobalt Co-Cr-Mo.

In tara noastra, primele interventii asupra aparatului locomotor dateaza din perioada de pionerat mondial al acestui domeniu-anii 50, cand s-au realizat si implementat primele implanturi metalice romanesti de catre profesorul doctor academician Alexandru Radulescu:profesor doctor Clement Baciu:doctor Dumitru Pintilie.

In ceea ce priveste biomaterialele polimerice, folosirea lor se bazeaza pe observatia din cel de-al 2-lea razboi mondial cand pilotiide avioane raniti cu fragmente de material plastic din invelisul avioanelor, nu au suferit reactii cronice adverse datorita prezentei acestor fragmente in corp. Au urmat si alte numeroase aplicatii de materiale si tehnici chirurgicale cum ar fi inlocuirea vaselor de sange initiata in 1950, inlocuirea valvelor cardiace, protezarea articulatiilor, sa.

Ingineria biomaterialelor in stadiul actual de dezvoltare a societati romanesti, prezinta real interes pentru studenti din anul 1 FAC. S.I.M., sectia Inginerie medicala care doresc sa se formeze ca specialisti in acest domeniu.

Reprezentanti ai biomaterialelor metalice

TipuriCaracteristiciAplicatii

Oteluri inoxidabile

Compozitie% gr

316 316L

C 0,08 0,03

Mn 2,00 2,00

P 0,03 0,03

S 0,03 0,03

Si 0,75 0,75

Cr 17-20 17-20

Ni 12-14 12-14

Mo 2-4 2-4-duritate-favorizeaza utilizarea carbonului maxim 0,08%

-rezistenta si duritate mare obtinute prin prelucrarea la rece

-rezistenta mare la intindere

-rezistenta la coroziune imbunatatita prin utilizarea:

molibdenului(2-4%), cromului(17-22%),

nichelului(12-14%)-confectionarea de placi suruburi pentru fracturi osoase sau implanturi

Ti-bine tolerat de organism

-densitate mica(4,5g/cm3)

-modul de elasticitate=110Gpa

-rezistenta ridicata

-ductibilitate redusa

-rezistenta scazuta la forfecare

-dendinta de exfoliere

-rezistenta buna la coroziune prin formarea unui strat protector de oxid-implanturi spinale

-proteze totale de sold

Aliajul Ni-Ti(nitinol)

Ni 54.0

Co 0,64

Cr 0,76

Mn 0,64

Fe 0,66

Ti restul-prezinta memoria formei

-compatibilitate foarte buna

-rezistenta la coroziune in vivo

-rezistenta la oboseala-arcuri ortodontale

-cleme pentru anevrisme

-filtre pentru vena cava

-implanturi ortopedice

-fixarea osteotomitilor

Aliaje pe baza de Co

Co-Ni-Cr-Mo

Co-Cr-Mo-continut de Co si Ni aproximativ 35% fiecare

-rezistenta la coroziune

-rezistenta aliajului este crescuta prin prelucrarea la rece

-rezistenta superioara intindere si oboseala

-rezistenta la uzura abrazivaTije pentru proteze de articulatii greu solicitate

-stomatologie(Co-Cr-Mo)

Au-durabilitate

-stabilitate

-rezistenta la coroziunePlombe dentare

Materiale metalice dentare

Aliaje pe baza de Au-proprietati mecanice superioare Au pur

-rezistenta la coroziuneRestaurari dentare

Coroane dentare

Protezarea tesuturilor dure umaneMijloace metalice de fixare osoasa

TipuriUtilizare

Sarme-folosite pentru a solidariza fragmente osoase

Brose si tije-modalitate de stabilizare a fracturii

Suruburi : autoinfiletabile

- fara autoinfiletare-dispozitiv de fixare osoasa

Placi metalice pentru fixarea fracturilor-fixarea fracturilor de oase cu corticala

-fixarea fracturilor de oase spongioase

-dispozitive intramedulare

-dispozitive de fixare a coloanei vertebrale

Proteze articulare

TipuriUtilizare

Implanturi la nivelul membrelor inferioare-protezele articulatiei soldului

-proteze de genunchi

-protezele articulatiilor tibio-tarsiene

-protezele articulatiilor metarso-falangiene

Implanturi la nivelul membrelor superioare-proteze de umar

-proteze ale ariculatiilor interfalangiene

-proteze pentru articulatia cotului