Biomateriale Si tea Acestora Cu Organismul Uman

Biomateriale i biocompatibilitatea acestora cu organismul uman

BIOMATERIALE SI BIOCOMPATIBILITATEA ACESTORA CU ORGANISMUL UMAN

1. NOIUNI FUNDAMENTALEtiina biomaterialelor este tiina care se ocup cu interaciunile dintre organismele vii i materiale, iar biomaterialele ca fiind orice substan sau combinaie de substan, de origine natural sau sintetic, care poate fi folosit pe o perioad de timp bine determinat, ca un ntreg sau ca o parte component a unui sistem care trateaz, grbete, sau nlocuiete un esut, organ sau o funcie a organismului uman(Williams 1992). Astfel s-a nscut tiina biomaterialelor cu un vocabular medical i tiinific mbogit de noi termeni, destinai definirii interaciunii ntre un organism viu si un material. Ortopedia, chirurgia estetica, oftamologia, chirurgia maxio-facial, cardiologia, urologia si neurologia i practic toate specialitile medicale nu numr mai puin de 400 de produse diferite i 10% din activitile medicale necesit utilizarea de biomateriale n scopuri de: diagnosticare, prevenie i terapie (figura 1). Din categoria biomaterialelor folosite pentru realizarea implanturilor i a dispozitivelor medicale fac parte urmtoarele materiale: polimerii, metalele, ceramicele i compozitele. O gam larg de polimeri se folosesc n aplicaiile medicale, aceasta datorndu-se faptului c acetia se gsesc sub diferite forme complexe i compoziii (solide, fibre, fabricate, filme i geluri). Totui n cazul implanturilor folosite la protezarea articulaiilor aceste materiale se folosesc mai puin datorit faptului c nu ndeplinesc n totalitatea proprietile mecanice ce se necesit n astfel de cazuri. Metalele sunt unele dintre cele mai folosite biomateriale n cazul implanturilor ortopedice, i nu numai. Acestea sunt cunoscute pentru rezistena mare la uzur, ductibilitate i duritate ridicat. Cel mai des folosite metale pentru realizarea implanturilor sunt oelurile inoxidabile, aliajele de cobalt-crom-molibden, titanul i aliajele de titan. Titanul i aliajele acestuia sunt folosite cu precdere la realizarea implanturilor ortopedice datorit faptului c proprietile mecanice ale acestuia sunt asemntoare cu cele ale esutului osos. Principalele dezavantaje al acestor metale sunt rigiditatea ridicat pe care o au n comparaie cu esuturile gazd, precum i tendina acestora de a crea artefacte n cazul procedeelor de diagnosticare avansate (investigarea cu computerul tomografic i rezonan magnetic). De asemene, oelurile inoxidabile i aliajele de cobalt cu crom sunt predispuse la coroziune, elibernd n organism ioni metalici ce pot cauza reacii alergice (Speide i Uggowitzer, 1998). 1


Ceramicele sunt, de asemenea, foarte des ntlnite n aplicaiile medicale datorit unei biocompatibiliti bune cu esutul gazd, o rezisten ridicat la compresiune i coroziune.

Figura 1 Aplicaii ale biomaterialelor n medicin.

2. CLASIFICAREA BIOMATERIALELORExist trei tipuri de biomateriale ce se disting dup interaciunea lor cu mediul biologic: materiale bioinerte, materialele bioabsorbante, materiale bioactive.

Materialele bioinerte cum ar fi titanul, tantalul, polietilena i alumina, expun o foarte mic interaciune chimic cu esuturile adiacente. esuturile pot adera la suprafaa acestor materiale inerte fie prin creterea acestora n microneregularitile suprafeei (osteointegrare) fie prin folosirea de adeziv special (acrilat). Pe termen lung, acesta din urm nu este modul ideal de fixare a implanturilor, de regul cele ortopedice i stomatologice. Cu toate acestea, multe din implanturile 2


polimerice sunt considerate a fi sigure i eficace pe o perioad cuprins ntre cteva luni i civa ani. Reacia biologic este inevitabil, dar este compensat de modul de proiectare a implanturilor. Materialele bioabsorbante cum ar fi fosfatul tricalcic, acidul copolimeric polilactic-poliglicolic, chiar i unele metale, sunt astfel concepute nct acestea s poat fi uor absorbite de organism i nlocuite de esuturile adiacente (esutul osos sau pielea). Acest tip de materiale sunt folosite n cazul transportului de medicamente sau n cazul structurilor implantabile biodegradabile cum ar fi aa chirurgical. Din categoria materialele bioactive fac parte materialele sticloase, ceramicele, combinaiile ale materialelor sticloase cu ceramicele i hidroxiapatita care conine oxizi de silicon (SiO 2), sodiu (NaO2), calciu (CaO), fosfor (P2O5) i ali constitueni de materiale care ajut la formarea de legturi chimice cu esutul osos. Aceste materiale sunt bioactive datorit legturilor pe care acestea le realizeaz n timp cu esutul osos i n unele cazuri cu esutul moale. n particular, are loc o reacie de schimb de ioni ntre materialul bioactiv i lichidele corpului, prin care particule de material difuz n lichid i viceversa, rezultnd n timp, un strat biologic activ de fosfat de calciu, care este chimic i cristalografic echivalent cu structura osoas. De asemenea, materialele bioactive par s fie rspunsul ideal n cazul fixrii oaselor n urma fracturilor, dar nu sunt potrivite n cazul implanturilor de articulaii, acolo unde gradul de frecare dintre materialele n contact este foarte mare. n funcie de natura biomaterialelor ntlnim: biomateriale naturale (materiale biologice): organice, anorganice; metalele, polimerii, ceramicele, compozitele.

biomateriale sintetice:

n ultima decad se pune tot mai mult accent pe nlocuirea materialelor sintetice utilizate n medicina uman i veterinar cu materiale biosintetice (bioartificiale). Aceste materiale conin cel puin o component natural care are scopul de a mri gradul de biocompatibilitate al materialului respectiv i de a grbi procesul de vindecare. Componenta natural a materialelor bioartificiale poate fi o protein (colagen, fibronectina, elastina), un polizaharid din clasa glicozaminoglicanilor (condroitin sulfat, heparin, heparan sulfat, acid hialuronic), o secven peptidic cu rol n recunoaterea celular sau n procesul de adeziune. 3


Aceste componente sunt cel mai adesea macromolecule ale matricei extracelulare ale esuturilor cu care materialele intr n contact i care sunt implicate n procesele de vindecare.

2.1 Biomateriale metaliceProprietile materialelor sunt guvernate direct chiar de structura lor. La nivel atomic, metalele sunt formate din ioni pozitivi, aflai n interiorul norului de electroni liberi. Acest nivel atomic este responsabil pentru caracteristicile i proprietile distincte ale metalelor. Legturile metalice permit atomilor s se autoaranjeze ntr-o anumit ordine, s se repete i s se organizeze ntr-un model cristalin tridimensional. Electronii liberi sunt responsabili pentru proprietile electrice i de conductibilitate termic a metalelor. Datorit faptului c legturilor interatomice din structura metalelor nu sunt spaial orientate, atomii aflaii la captul straturilor pot aluneca de pe un strat pe altul dnd astfel natere deformaiei plastice. Proprietile chimice ale metalelor depind tot de natura legturilor lor atomice. Cu ct legturile dintre atomi sunt mai puternice, i greu de rupt, cu att materialul este mai inactiv. Deoarece interaciunea dintre esutul uman i biomaterial are loc la nivelul interfeei dintre cele dou componente, proprietile suprafeei materialului implantat sunt de mare importan. Metalele n stare pur sunt mai rar utilizate, aliajele acestora fiind mai des folosite datorit faptului c mbuntesc unele dintre proprieti, cum ar fi rezistena la coroziune i duritatea. Trei grupe de materiale domin grupa biomaterialelor metalice: oelurile inoxidabile 316 L, aliajele de cobalt-crom-molibden i titanul pur sau aliaje de titan (tabelul 1). Primul tip de oel inoxidabil folosit n implanturi a fost oelul de vanadiu (18-8Va), dar rezistena la coroziune a acestuia nu a fost prea bun. Pentru a-i mri rezistena la coroziune, n compoziia acestuia s-a adugat molibden (18-8Mo), care mai trziu a devenit oelul inoxidabil 316. n anii 1950, componenta de carbon a oelului inoxidabil 316 a fost redus de la 0,08% la 0,03% din greutatea total, cu scopul de cretere a rezistenei la coroziune. Astzi, acest oel poart numele de oel inoxidabil 316L i conine o cantitate de 0,03% carbon, 2% magneziu, 17-20% crom, 12-14% nichel, 2-4% molibden i alte elemente n cantiti mai mici cum ar fi fosforul, sulful, i siliconul. Stratul pasiv (rezistent la coroziune) al acestor oeluri nu este la fel de robust ca n cazul celor din aliaje de titan. Din aceast cauz, oelurile inoxidabile sunt folosite doar la realizarea implanturilor medicale temporare cum ar fi uruburile de fixare i tijele ortopedice pentru fixarea fracturilor. Aceste oeluri pot fi ecruisate1 prin prelucrare la rece. n cadrul procesului de fabricaie al oelurilor inoxidabile, tratamentele la cald sunt necesare naintea celor la rece.

1

Procesul de ecruisare este bazat pe efectul inducerii unor tensiuni de compresie n suprafaa piesei metalice printr-o sablare controlat. Prin acest tratament se mrete rezistena la mbtrnire i, de asemenea, durata de via a piesei.

4

Biomateriale i biocompatibilitatea acestora cu organismul uman Tabelul 1 Compoziia % a biomaterialelor metalice folosite n implanturile medicale. Element C Co Cr Fe H Mo Mn N Ni O P S Si Ti V W Oel inoxidabil 316 L 0,03% 17-20% ponderat 2-4% 2% 12-14% 0,03% 0,03% 0,75 Aliajul Co-Cr-Mo 0,035% ponderat 26-30% 0,75% 5-7% 1% 0,25% 1% 1% Titan 0,010% 0,3-0,5% 0,0125-0,015% 0,03-0,05% 0,18-0,40% ponderat Aliaj Ti-6Al-AV 5,5-6,5% 0,08% 0,25% 0,0125% 0,05% 0,13% ponderat 3,5-4,5%

Aliajele pe baz de cobalt-crom-molibden conin o cantitate ponderat de cobalt, 26-30% crom, molibden 5-7%, precum i alte elemente componente ca: carbonul, fierul, magneziu, azotul, nichelul i siliciul. Pe lng cele dou componente de baz se folosete molibdenul pentru obinerea unei structuri fine, care rezult n urma proceselor de turnare i forjare. Cromul este folosit n acest aliaj ca un scut protector mpotriva procesului de coroziune. Datorit proprietilor mecanice foarte bune (rezistena la oboseal, rezistena de rupere la traciune), aliajele pe baz de cobalt-crom-molibden se folosesc de regul la fabricarea implanturilor ortopedice ce suport solicitri foarte mari cum ar fi endoprotezele de old i genunchi. De asemenea nici proprietile abrazive (0,14 mm/an) precum i rezistena la coroziune foarte mare, ale acestor aliaje nu sunt de ignorat. Primele ncercri de utilizare a titanului n implanturile medicale dateaz din anii 1930. Greutatea uoar (4,5 g/cm3) precum i proprietile mecano-chimice forte bune ale titanului, fac din acesta un material foarte utilizat n cazul implanturilor ortopedice. Exist patru categorii de titan folosite n aplicaiile medicale. Deosebirile dintre ele sunt date de impuriti ca: oxigen, fier i nitrogen. n particular, oxigenul are o bun influen n cazul ductibilitii i rezistenei mecanice. Pe lng componentele prezentate mai sus se mai folosesc i alte componente ca: hidrogenul i carbonul (0,015% i respectiv 0,1%). De asemenea titanul are o rezisten foarte mare la coroziune, datorit formrii unui strat de oxid de titan (TiO2) pe suprafaa acestuia. Aceast pelicul produce grbirea procesului de osteointegrare, proces prin care esutul osos ader la suprafaa implantului fr apariia inflamaiei cronice.

5


Dezavantajele titanului includ o rezisten la forfecare relativ mic, rezisten mic la uzur i dificulti n procesul de fabricaie. Aliajele pe baz de titan i nichel au o proprietate neobinuit i anume, dac sunt deformate sub temperatura de transformare polimorf2, acestea revin la forma iniial odat cu cretere de temperatur. Unul dintre cele mai cunoscute aliaje pe baz de titan i nichel este aliajul Nitinol-55, care are n compoziia sa urmtoarele elemente: Ni i Ti n proporie de 50-55 %, precum i Co, Cr, Mn, i Fe. Acest tip de aliaj expune o serie de proprieti de calitate cum ar fi o bun ductibilitate la temperatur joas, o bun biocompatibilitate, rezisten la coroziune, rezisten la ncrcare mecanic precum i proprietatea de conversie a energiei calorice n energie mecanic. Se folosete n stomatologie (implanturile dentare), chirurgia reconstructiv (plci craniene), chirurgia cardiac (inim artificial) i ortopedie (scoabe i uruburi de fixare a fracturilor). n tabelul 2 sunt redate cele mai importante proprieti mecanice ale biomaterialelor metalice folosite mai des n aplicaiile medicale.Tabelul 2 Proprietile mecanice ale celor mai folosite biomateriale metalice. Proprieti Rezistena de rupere la traciune [MPa] Limita de curgere E [MPa] Densitate [g/cm3] Modul de elasticitate E [GPa] Rezistena la oboseal O[MPa]T

Oel inoxidabil 586-1351 221-1213 7,9 190 241-820

Aliaj Co-Cr 655-1896 448-1606 8,3 210-253 207-950

Titan 760 485 4,5 110 300

Aliaj Ti-6Al-4V 965-1103 896-1034 4,5 116 620

Os cortical 70-150 30-70 15-30 -

Modulul de elasticitate al materialelor prezentate este de cel puin apte ori mai mare dect cel al esutului osos. Aceast neconcordan poate duce la apariia fenomenului de supraconsolidare, o stare caracterizat prin reabsorbia osoas n vecintatea implantului. Complicaiile clinice apar datorit faptului c cea mai mare parte din solicitarea mecanic este preluat de ctre implant, privnd esutul osos de stimularea mecanic necesar procesului de homeostaz. Proprietile mecanice ale unui implant depind nu numai de tipul materialului folosit dar i de procesul de fabricaie, tratamentele termice i mecanice putnd schimba microstructura materialului. De exemplu, n cazul prelucrrii la rece (forjare sau cilindrare), deformrile rezultate duc la o cretere a duritii i a rezistenei materialului, dar din pcate scade ductibilitatea i crete reactivitatea chimic.2

Transformrile unei forme cristaline, stabil la o anumit temperatur, ntr-o alt form cristalin, stabil la alt temperatur, se numesc transformri polimorfe. Transformarea polimorf const ntr-o modificare a poziiilor reciproce, o regrupare, a particulelor care ocup nodurile reelei cristaline, la temperatura de transformare polimorf, ca urmare a vibraiei particulelor.

6


2.2 Biomateriale polimericePolimerii sunt cele mai folosite materiale n cadrul aplicaiilor medicale (tabelul 3). Aceste materiale pot fi folosite n realizarea de dispozitive cardiovasculare (grefe vasculare, valve artificiale ale inimii), implanturi mamare, lentile de contact, lentile intraoculare, nveliuri pentru medicamente, ae chirurgicale, adezivi i substitueni pentru snge. Polimerii sunt materiale organice, alctuii dintr-un numr mare de macromolecule, care de fapt formeaz legturi covalente ntre atomi. Datorit naturii lor covalente a legturilor intermoleculare, electronii sunt localizai ntre atomii constitueni, i polimerii consecveni tind s aib proprieti termice i electrice sczute. Cei mai utilizai polimeri, nc din ani 1960, sunt poliglicoidele (PGA) i polilactidele (PLA). Polilactidele sunt formate fie din monomeri stereo, monomerii de tip "D" i monomerii de tip "L", fie din combinaia acestor doi (DL). Doar polimerii de tip "L" sunt de origine natural. Polilactidele a cror monomeri predominani sunt acei de tip "L" sunt polimeri semicristalini a cror timp de degradare este mai mare de doi ani. n cellalt caz, cnd monomerii predominani sunt de tip "D", polimerii se gsesc n stare amorf i sunt folosii n cazul ncapsulrii medicamentelor datorit timpului rapid de degradare.Tabelul 3 Exemple de aplicaii medicale ale polimerilor. Aplicaii Implanturi cardiovasculare Implanturi ortopedice Farmaceutic (medicamente) esuturi artificiale Polimeri Polietilena, polivinil, policlorhidr, poliester, cauciuc siliconal, polietilen, politetrafluoritilen Polietilen, polimetil, polimetacrilat, Polilactite, policoglicoide Acid polilactic, acid poliglicoloc, polilactid, policoglicoide

Comportamentul mecanic i termic al polimerilor este influenat de civa factori, incluznd compoziia chimic, structura lanurilor polimerice, precum i masa atomic a moleculelor. Deformaia plastic i face apariia atunci cnd forele de aciune mecanice cauzeaz alunecarea staturilor componente, unul fa de cellalt. Schimbrile n structura polimerului, menite s mbunteasc rezistena la alunecare dintre straturi, fac ca rezistena mecanic a materialului s creasc, dar scade plasticitatea materialului. De asemenea, crescnd numrul de macromolecule componente, se ajunge tot la o mobilitate sczut ntre straturi. Mecanismul de degradare al polimerilor cu o structur semicristalin se mparte n trei mari etape. n prima etap, prile amorfe sunt dizolvate de ap. Aceast dizolvare nu afecteaz rezistena mecanic a polimerilor. n cea de-a doua faz au loc atacuri ale enzimelor asupra polimerului, iar 7


cea de-a treia faz const n eroziunea materialului. Factorii ce accelereaz fenomenul de degradare a polimerilor sunt: factorul hidrofilic, factorul de cristalinitate, factorul de mrime.Tabelul 4 Cele mai importante proprieti mecanice ale biomaterialelor polimerice. Polimeri Polietilena (PE) Poliuretan (PU) Politetrafluoretilena (PTFE) Poliacetal (PA) Polimetilmetracrilat (PMMA) Polietilena tereptalat (PET) Polietereterketon (PEEK) Silicon cauciucat (SR) Polisulfonat (PS) Rezistena la rupere [Mpa] 35 35 27,5 67 59 61 110 7,6 75 Modulul lui Young E [Gpa] 0,88 0,02 0,5 2,1 2,55 2,85 3,3 0,008 2,65

Tabelul 5 Proprietile fizice ale poliglicoidelor i polilactidelor. Polimer PGA LPLA DLPLA 85/15 DLPLG 75/25 DLPLG 65/35 DLPLG 50/50 DLPLG Punctul de topire [C] 225-230 173-178 Amorf Amorf Amorf Amorf Amorf Alungirea [%] 15-20 5-10 3-10 3-10 3-10 3-10 3-10 Degradarea [luni] 6-12 24 12-16 5-6 4-5 3-4 1-2

Polimerii pot conine o mare varietate de aditivi, urme de catalizatori, inhibitori, i alte componente chimice voite pentru sintezele lor. Ca i n cazul coroziunii materialelor metalice, n timp, ntr-un mediu fiziologic, aceste componente chimice ale polimerilor sunt eliberate n organism, i pot produce reacii adverse din partea organismului uman. Aceste degradri de material nu sunt binevenite, n special cele ale polimerului acrilic (un ciment de oase folosit n general la fixarea implanturilor ortopedice de esutul osos: endoproteza de old, de genunchi) i ale polivinilclorhidrelor (polimeri cu elasticitate mare). Proprietile mecanice ale materialelor polimerice depind de civa factori, i anume compoziia i structura lanurilor macromoleculare precum i masa atomic a acestora. Tabelul 2.4 red cteva din cele mai importante proprieti mecanice ale unor biomateriale polimerice.

8


Comparai cu metalele i ceramicele, polimerii au o rezisten mecanic mai mic precum i un modul de elasticitate mai mic, dar acetia pot fi deformai pn la o valoare mai mare nainte de rupere. n general, polimerii nu sunt folosii n aplicaiile medicale n care s fie supui la solicitri mecanice puternice (articulaia artificial a oldului, a genunchiului, a gleznei). Polietilena cu o densitate mare molecular (UHMWPE) este o excepie de la aceast regul, fiind folosit ca material de friciune n cazul protezei de old oldului i genunchi . n tabelul 5 sunt prezentate cteva proprieti fizice ale celor mai utilizai polimeri.

2.3 Biomateriale ceramiceCeramicele sunt materiale n compoziia crora intr materialele metalice i nemetalice, legate ntre ele prin legturi ionice sau covalente. Ca i n cazul metalelor, legturile interatomice din materialele ceramice sau format n urma cristalizrii tridimensionale a structurii. n contrast cu legturile metalice, electronii din legturile ionice sau covalente ale ceramicelor, sunt localizai ntre ionii/atomii constitueni. Ceramicele sunt izolatoare din punct de vedere electric i termic. Legturile ionice sau covalente fac din ceramic un material cu o duritate mare i fragilitate ridicat, deoarece panele de atomi/ioni nu alunec ntre ele. Aceste materiale sunt ns sensibile la apariia fisurilor sau alte defecte. Legturile ionice/covalente ale materialelor ceramice au o mare influen n cazul comportrii chimice a acestora [C3][S1]. Ca biomateriale, materialele ceramice se gsesc sub numele de bioceramice i se pot clasifica n patru mari categorii: ceramice bioinerte sau neabsorbabile, ceramice absorbabile, ceramice bioactive.

Bioceramicele bioinerte nu sunt toxice, cancerigene, alergice, inflamatorii, i prezint o bun comportare la coroziune. Din cadrul acestor ceramice face parte: alumina, zirconia, silicon nitrid i carbonul. Ele sunt de obicei folosite n cazul endoprotezelor de sold i a valvelor artificiale ale inimii. Bioceramicele absorbabile se folosesc n cazul implanturilor degradabile, acestea fiind absorbite de corp. Din cadrul acestor bioceramice fac parte fosfai (calciu, tricalciu, aluminiu-calciu, zinc sulfat de calciu), oxizii (zinc-calciu-fosforos, feric-calciu-fosforos i coralii (carbonat de calciu). 9


Bioceramicele bioactive includ: biosticla, hidroxiapatitele i ceravitatul (un amestec de oxid de silicon, calciu, sodiu, fosfor, magneziu si potasiu). O important aplicaie a acestor bioceramice este aceea de mbrcare a protezelor metalice, n special a celor de old, pentru a permite esutului uman s adere la suprafaa protezei. Pe lng acesta utilizare, bioceramicele reactive se mai folosesc i la protezele dentare, tije i uruburi de fixare a fracturilor. Materialele ceramice nu sunt predispuse la coroziune chimic, ca n cazul materialelor metalice, dar sunt sensibile la alte forme de degradare, atunci cnd sunt expuse mediului fiziologic. Mecanismul i gradul de degradare depind n principiu de tipul materialului ceramic. Chiar i alumina, care este considerat n general un material bioinert, sufer modificri n cazul rezistenei mecanice, atunci cnd intr n contact cu un mediu salin. Ceramicele bioactive ct i materialele sticloase sunt degradabile n organismul uman. Chiar dac aceste materiale au o degradare lent, sau rapid, ele pot fi reabsorbite de osteoclaste (celulele ce distrug n permanen esutul osos), datorit asemnrii particulelor de fosfat de calciu cu componentele minerale ale esutului osos. Proprietile de extensibilitate sczute, precum i o fragilitate mare, fac ca materialele bioceramice s fie mai puin folosite n aplicaiile medicale. De asemenea, rezistena la ncovoiere, a ceramicelor, este foarte mic. Comportarea lor este mai bun n cazul supunerii la fore de compresiune (tabelul 6).Tabelul 6 Proprietile mecanice a celor mai folosite bioceramice. Materiale Alumina Biosticla Fosfat de calciu Carbon pirolitic Modulul Young E [Gpa] 380 22 40-117 18-28 Rezistena la compresiune Rezistena de rupere la traciune T [Mpa] 350 56-83 69-193 280-560

[Mpa] 4500 500 510-896 517C

Din toate materialele bioceramice, alumina are cele mai bune proprieti mecanice, dar proprietile sale, la alungire, rmn sczute n comparaie cu cele ale biomaterialelor metalice. Un avantaj al aluminei, este acela c are un coeficient de frecare sczut i o rezisten mare la uzur. Datorit acestor proprieti, alumina se folosete cu precdere n cazul suprafeelor de alunecare (n cazul endoprotezei de old). Proprietile mecanice sczute ale fosfatului de calciu (hidroxiapatita) i a sticlei bioactive, fac ca acestea s nu poat fi folosite n cazul articulaiilor artificiale. Clinic, hidroxiapatita este folosit ca material de umplutur n cazul defectelor de oase (osul urechii mijlocii, septul nazal). O alt

10


ntrebuinare a hidroxiapatitei este aceea de formare a unui strat pe implanturile metalice, pentru a amplifica procesul de osteoficare .

2.4 Biomateriale compoziteCompozitele sunt acele materiale care au n componen dou sau mai multe faze constituente, de obicei o matrice polimeric i o component de armare, la o scar mai mare dect cea atomic. De obicei, elementele componente ale unui material compozit sunt separate ntre ele prin interfee ce pot fi identificate fizic. Din punct de vedere structural, materialele biocompozite sunt materiale anizotrope, adic proprietile lor mecanice difer pe toate direciile. O prim clasificare a biocompozitelor se poate face dup natura elementelor componente. Exist trei moduri de rigidizare a materialelor compozite: cu fibre scurte, cu fibre lungi, cu particule de material (pulbere).

Fibrele utilizate ca materiale de armare pot fi de natur foarte divers: bumbac, mtase, ln, celuloz, carbon, polimeri sintetici, metale etc. Ele trebuie s fie suficient de flexibile (pentru a permite prelucrarea materialului compozit prin procedee diverse) i s prezinte un raport mare lungime/diametru, care s permit preluarea eficient a solicitrii exterioare dinspre matrice spre materialul de armare. n general, adugarea de fibre ntr-o matrice ductil (polimeric sau metalic) urmrete creterea rigiditii materialului compozit, iar n cazul unei matrice fragil (de exemplu ceramica) vizeaz creterea rezistentei. Una din clasele de umpluturi sub forma de particule dispersate sunt pulberile metalice (bronz, fier, argint, zinc etc.), care au ca principal rol creterea conductibilitii termice i conductivitii electrice a materialelor polimerice, recunoscute tradiional ca avnd proprieti izolatorii. De exemplu, prin introducerea de astfel de pulberi metalice n masa poliolefinelor se pot obine materiale cu o buna prelucrabilitate, capabil s asigure o ecranare eficienta mpotriva radiaiilor electromagnetice i evitarea interferenelor. Aceste proprieti sunt eseniale pentru protejarea dispozitivelor medicale i a aparaturii medicale n general, de funcionarea creia depinde sigurana i calitatea vieii pacientului. Biocompozitele pot avea o matrice polimeric, metalic sau pe baz de materiale ceramice. Matricea are un dublu rol: s in compacte fibrele/particulele utilizate ca sistem de armare i s realizeze transferul tensiunilor rezultate n cazul solicitrilor externe, ctre fibrele de armare. Proprietile unui astfel de material compozit va depinde n acest caz nu numai de caracteristicile 11


intrinseci ale celor dou elemente componente, dar i de aranjamentul spaial al fibrelor/particulelor n interiorul matricei i de gradul de adeziune matrice-fibre. Cteva observaii se impun: 1. Materialele compozite armate cu fibre lungi manifest o anizotropie a proprietilor. Cu alte cuvinte, o parte din proprietile materialului variaz n funcie de direcia sau planul de msurare; 2. Obinerea unui material compozit armat cu proprieti izotrope (modulul lui Young sau coeficientul de dilatare termic), este posibil atunci cnd se folosesc fibre scurte sau materiale de armare dispersate (particule), cu condiia ca acestea s fie orientate aleatoriu n interiorul matricei. Acest deziderat nu este uor de transpus n practic; 3. Exist o gam larg de materiale compozite cu aplicaii medicale n care materialul de armare fibre lungi sau esturi sunt orientate n mod controlat pe anumite direcii privilegiate, pentru a induce anizotropia unora dintre proprietile compozitului. Tipul de interfa dintre matrice i materialele de ranforsare are un rol primordial n stabilirea proprietilor materialului compozit. Prin definiie, interfaa reprezint zona/suprafaa de separare dintre doua regiuni la nivelul creia au loc discontinuiti ale unor proprieti fizice, mecanice, chimice etc. Cteva observaii generale se impun a fi prezentate: 1. n cazul biomaterialelor compozite ce conin fibre, interfaa matrice/fibr este n general rugoas i nu perfect plan. 2. Materialul matricei trebuie s ude suprafaa fibrei (fenomen ce mrete implicit aria de contact dintre cele doua faze). Pentru a se mbunti gradul de udare al fibrelor, se folosesc ageni de cuplare. 3. Obinerea unor materiale compozite cu proprieti optime, n special n ceea ce privete rezistena mecanic care este condiionat de felul n care solicitrile mecanice se propag la suprafaa de separare matrice-fibr. Un bun transfer al tensiunilor de la matrice la fibr presupune o suprafa mare de contact i o foarte bun adeziune. O adeziune sczut ntre matrice i fibre duce la apariia i propagarea rapid a fisurilor n interiorul compozitului. 4. Adeziunea dintre matrice i materialul de ranforsare poate fi realizat prin legturi de tip van der Walls (adeziune slab), dar i prin legturi covalente puternice. 5. Suprafaa total de contact dintre matrice i fibre poate merge pn la valori de 3000 cm2/cm3. O alt clasificare se poate face n funcie de modul de biodegradare: absorbabile n ntregime, 12


parial absorbabile, neabsorbabile.

Biocompozitele total absorbabile sunt realizate din fibre i o matrice general, ambele fiind absorbabile. Aceste materiale sunt folosite cu precdere n cazul fixrii fracturilor (uruburi sau tije), fr a fi necesar ca dup vindecarea esutului osos aceste dispozitive de fixare s fie extrase, ele fiind absorbite de organism. Cel mai utilizat material compozit absorbabil este grupul de polimeri ai acidul polilactic (PLA), din mai multe considerente pozitive: materialul este n totalitate biodegradabil cu o rat de absorie ce poate fi controlat prin modificarea masei moleculare; produii rezultai n urma degradrii nu sunt toxici pentru organism, sunt biocompatibili i sunt uor metabolizai. Principalul dezavantaj al acestor biocompozite este modul de coordonare a procesului de degradare a componentelor. Biocompozitele parial absorbabile sunt realizate din materiale de rigidizare neabsorbabile i materiale matrice absorbabile. Istoric vorbind, aceste materiale au fost predecesorii materialelor biodegradabile. n general, cele mai utilizate compozite parial absorbabile n aplicaiile medicale sunt: polimetilmetacrilat (PMMA) i poli(butilen tereftalat) (PBT) ca matrice neabsorbabile n combinaie cu hidroxiapatita (HA) sau acidul polilactic (PLA); polihidroxibutirat (PHB) ca matrice neabsorbabil n combinaie cu alumina sau carbonatul de calciu ca i componente biodegradabile. n cazul biocompozitelor neabsorbabile, ambele componente, cea general (matricea) i cea de rigidizare (particule sau fibre) sunt neabsorbabile. Acestea sunt n general folosite pentru a asigura proprieti mecanice i clinice care nu pot fi obinute cu biomaterialele tradiionale. Astzi, materialele compozite neabsorbabile sunt folosite pentru realizarea dispozitivelor de fixare a vertebrelor spinale, n cazul endoprotezelor de old i genunchi, n cazul implanturilor dentare, datorit proprietilor mecanice stabile pe cale le confer implantului. Majoritatea esuturilor biologice (esutul osos, dentina, colagenul, cartilajul, pielea) sunt considerate materiale compozite. n general esuturile sunt mprite pe dou categorii: esuturi dure i esuturi moi. esutul osos i esutul dinilor sunt singurele exemple de esuturi dure, iar pielea, vasele de snge, cartilajele i ligamentele sunt cteva exemple de esuturi moi. Dup cum se tie, esuturile dure sunt n general mai rigide (cu un modul de elasticitate ridicat) i mai dure dect esuturile moi, dup cum se poate observa din tabelele 7 i 8. Cu toate acestea, materialele prezentate mai sus sunt compozite naturale cu proprieti anizotrope, care depind de rolul i aranjamentul structural al componentelor esuturilor (colagenul, elastina, hidroxiapatita). Anizotropia proprietilor elastice ale esuturilor biologice trebuie s 13


constituie criteriul de baz pentru proiectarea implantelor medicale realizate din materiale compozite.Tabelul 7 Proprietile mecanice ale esuturilor dure, (Black i Hastings, 1998). esuturi dure Modulul de elasticitate E [GPa] esut osos cortical (direcie longitudinal) esut osos cortical (direcie transversal) esut osos calcinos Smalul Dentina 17,7 12,8 0,4 84,3 11 Rezistena de rupere la traciune 133 52 7,4 10 39,3 [MPa]

Tabelul 8 Proprietile mecanice ale esuturilor moi, (Black i Hastings, 1998). esuturi moi Cartilajul articular Fibrocartilajul Ligamentul Tendonul Pielea esut arterial (direcie longitudinal) esut arterial (direcie transversal) Modulul de elasticitate E [GPa] 10,5 159,1 303 401,5 0,1 - 0,2 Rezistena de rupere la traciune [MPa] 27,5 10,4 29,5 46,5 7,6 0,1 1,1

Principala caracteristic a materialelor compozite este aceea c, variind faza de rigidizare se poate obine o gam larg de proprieti mecanice i biologice. Din punct de vedere mecanic, materialele metalice i cele ceramice par s fie cea mai bun alegere pentru aplicaiile medicale n cazul esuturilor biologice dure, n timp ce polimerii pot fi folosii n cazul esuturilor biologice moi. Dup cum se poate observa n cele dou tabele, modulul de elasticitate al metalelor i al ceramicelor sunt de 10-20 de ori mai mare dect cel al esuturilor dure. Astfel, implanturile fabricate din aceste materiale tind s fie mult mai rigide dect esuturile adiacente. n ortopedie, aceast nepotrivire de rigiditate dintre esutul osos i implanturile metalice sau ceramice influeneaz distribuia tensiunilor de solicitare ntre cele dou componente. Deoarece tensiunea de solicitare este invers proporional cu rigiditatea elementelor, esutul osos este mai puin solicitat fa de implant. Dup spusele lui Wolff, cu ct tensiunile de solicitare sunt mai mici cu att gradul de remodelare al esutului osos se accentueaz, ceea ce duce la o densitate osoas mai mic ceea ce nseamn afectarea arhitecturii osoase. n osteosintez, acest fapt poate afecta procesul de vindecare al oaselor i poate crete riscul apariiilor de fracturi, fie n zona de legtur os-implant fie n alt zon.

14


Dac echilibrul rigiditii este atins att de implant ct i de esutul osos, riscul apariiilor efectelor negative este foarte mic. n aceast privin, folosirea unor materiale (polimeri) cu un modul de elasticitate sczut pare s fie o soluie bun. Totui, rezistena mic asociat cu un modul de elasticitate sczut diminueaz ansele de utilizare a materialului n scopuri medicale. Modulul de elasticitate ridicat i rezistena mecanic mare a materialelor polimerice compozite au fcut din acestea unele dintre cele mai folosite materiale n ortopedie. Un alt avantaj al materialelor compozite ar fi acela c, variind volumul fracionar i cantitatea de materiale de rigidizare se pot obine proprieti ale implantului care s fie tolerate de esuturile gazd. De asemenea, s-a demonstrat faptul c materialele compozite au biocompatibilitate structural mult mai bun dect cea a materialelor monolitice. Materialele compozite mai ofer i alte avantaje n detrimentul materialelor metalice i ceramice i anume: absena fenomenului de coroziune, lipsa eliberrii ionilor metalici ce sunt foarte duntori organismului, o rezisten mai mare la rupere i o rezisten mai mare la oboseal.

2.3 BIOCOMPATIBILITATEA MATERIALELOR CU ORGANISMUL UMANClasa biomaterialelor se deosebete de celelalte clase de materiale prin criteriul de biocompatibilitate, care se definete ca fiind proprietatea biomaterialelor, prin care, n urma implantrii lor ntr-un organism viu, nu produc reacii adverse i sunt acceptate de esuturile ce le nconjoar. Aadar, biomaterialul trebuie s nu prezinte toxicitate sau s nu produc reacii inflamatorii, atunci cnd este introdus n organismul uman ca i implant. Cercettorii Wintermatel i Mayer (1999) au extins definiia biocompatibiliti i au ajuns la separarea acesteia n dou categorii (tabelul 9): biocompatibilitatea intrinsec i biocompatibilitatea extrinsec (funcional). Prin biocompatibilitatea intrinsec se nelege faptul c suprafaa implantului trebuie s fie compatibil cu esutul gazd din punct de vedere chimic, biologic i fizic (incluznd morfologia suprafeei). n ceea ce privete biocompatibilitatea extrinsec, acesta se refer la proprietile mecanice ale materialului, cum ar fi modulul de elasticitate, caracteristicile de deformaie i transmiterea optim a solicitrilor la interfaa dintre implant i esut. Condiionarea optim dintre biomaterial i esutul viu este atins atunci cnd compatibilitatea suprafeei i cea structural sunt ndeplinite.Tabelul 9 Factorii determinani ai biocompatibilitii. Biocompatibilitate Factori determinani insolubilitate

15

Biomateriale i biocompatibilitatea acestora cu organismul uman Intrinsec Extrinsec rezistena la coroziune la un pH de 6,6-7,5 neutralitate electric rezisten mecanic biostabilitate form macroscopic structur micromorfologic de suprafa

Biocompatibilitatea unui implant depinde de numeroi factori ca : starea general de sntate a pacientului, vrsta, permeabilitatea esutului, factori imunologici i caracteristicile implantului (rugozitatea i porozitatea materialului, reaciile chimice, proprietile de coroziune, toxicitatea acestuia). Din punct de vedere chimic, materialele biocompatibile trebuie s fie stabile i s aib o bun rezisten la coroziune, avnd n vedere particularitile solicitrilor la care sunt supuse n corpul uman: compoziia mediului intern variaz continuu, avnd un caracter de la bazic la acid; are loc i o coroziune microbiologic, imposibil de estimat n condiii de laborator; n funcie de destinaie, unele materiale sunt supuse solicitrilor mecanice constante, genernd coroziunea sub tensiune, respectiv ciclice, caz n care apare coroziunea la oboseal; la aliajele dentare apare pregnant fenomenul coroziunii electrochimice.

Din punct de vedere fizic, o mare importan o are conductivitatea termic. Datorit lipsei electronilor liberi, esuturile au o conductibilitate termic mic, ceea ce duce la evitarea ocurilor termice. De aceea, materialele biocompatibile sunt cu att mai bune cu ct conductivitatea lor termic este mai mic. Pentru realizarea acestui deziderat, ntre implant i esut se poate introduce un izolator termic. n esuturile umane, o importan deosebit o prezint desfurarea proceselor de coroziune electrochimic n ser sanguin la temperatura de 37C. Aceste procese de coroziune electrochimic prezint, pentru diferite materiale metalice, urmtorul ir de valori ale potenialului ABE (Anodic Back Elecromotive Force for electromotoare anodic de reacie) prezentat n tabelul 10.Tabelul 10 Poteniale ABE ale unor metale i aliaje metalice. Materialul Titan Niobiu Tantal Platin Paladiu Potenial ABE [mV] + 3500 + 1850 + 1650 + 1450 + 1350 Materialul Zirconiu V2A Nichel Inox (17%Cr) Cupru Potenial ABE [mV] + 320 + 300 + 200 + 75 - 30

16

Biomateriale i biocompatibilitatea acestora cu organismul uman Radiu Iridiu Aur Crom Vitaliu (Cr-Co-Mo) + 1150 + 1150 + 1000 + 750 + 650 Staniu Cobalt Oel carbon Fier Zinc - 200 - 350 - 480 - 500 - 1150

Din acest punct de vedere, se consider c limita de biocompatibilitate se situeaz n jurul unui potenial ABE de 300 mV. Dup cum se poate observa din tabelul de mai sus, materialul cu cel mai nalt potenial ABE este titanul, urmat de niobiu, tantal, tantal i platin. Dar, pe lng un potenial ABE nalt, metalele biocompatibile trebuie s ndeplineasc i alte cerine. Astfel, cercetri citologice asupra unor culturi de celule vii n ceea ce privete eventuala toxicitate a materialelor metalice au artat c, din cele aproximativ 70 de metale ale sistemului periodic al elementelor, doar 5 sunt tolerate de ctre celule, fr a avea loc o ncetinire a dezvoltrii acestora. Astfel, sunt considerate netoxic: titanul, tantalul, zirconiul i limitat nibiolul. Vitalitatea celulelor se conserv, deoarece i oxizii sau eventualii produi de coroziune ai acestor metale sunt netoxici. La cellalt pol se situeaz metalele cu o aciune puternic nociv sub acest aspect, cum sunt: cobaltul, nichelul, cuprul, vanadiul i stibiul. Din tabelul 10 se poate observa faptul c titanul prezint proprieti favorabile, att din punct de vedere fizico-chimic, ct i mecanic.

17

Biomateriale Si tea Acestora Cu Organismul Uman

Documents

Transcript of Biomateriale Si tea Acestora Cu Organismul Uman