Mihai Chiriţă

BIOPOLIMERI ŞI

COMPOZITE NATURALE

Editura TEHNICĂ INFO Chişinău

Colecţia BIOINGINERIE MEDICALĂ Nr. 1

Mihai Chiriţă

BIOPOLIMERI ŞI

COMPOZITE NATURALE

Referenţi ştiinţifici: Prof.dr. Ion Poeată

Facultătea de Bioinginerie Medicală, Universitatea de Medicină şi Farmacie “Gr.T.Popa” Iaşi

Prof.dr.doc.ing. Gheorghe Chiriţă Preşedinte S.R.C.T.I.P. Universitatea Tehnică “Gh.Asachi” Iaşi

Culegere şi tehnoredactare computerizată: Conf.dr.ing.Mihai Chiriţă

Coperta:

Conf.dr.ing.Mihai Chiriţă MIHAI CHIRIŢĂ, conferanţiar universitar doctor inginer, absolvent al Institutului politehnic “Gh.Asachi” Iaşi, facultatea de Chimie Industrială – secţia de Tehnologia compuşilor organici, promoţia 1980. Titular al cursurilor: Biopolimeri, Compozite naturale, Piele şi produse din piele, Celuloză şi produse din lemn, Sisteme vectorizate, Substituienţi sanguini, şeful disciplinei de Biomateriale organice naturale şi şeful catedrei de Biomateriale şi tehnologie protetică din cadrul Facultăţii de Bioinginerie Medicală, Universitatea de Medicină şi Farmacie “Gr.T.Popa” Iaşi.

Părinţilor mei, cu recunoştinţă....

Prefaţă Lucrarea Biopolimeri şi Compozite naturale este prima lucrare de acest gen din ţară şi deschide o nouă serie de carte, “Colecţia BIOINGINERIE MEDICALĂ”, a cărui specific interdisciplinar va marca noua eră a cunoaşterii şi a progresului tehnico-ştiinţific în domenii biomedicale.

Concepută ca un tot unitar, în ideea corelării de cunoştinţe din domenii conexe ale cunoaşterii, chimie, biochimie, biofizică, biologie, biomecanică, medicină, ştiinţa biomaterialelor, lucrarea tratează asupra unor biocompozite naturale aprofundând relaţiile dintre compoziţie, structură, ierarhizare, funcţionaliate, proprietăţi fizico-chimice, biomecanice şi biologice, conturând punctul de vedere al bioinginerului medical în acestă direcţie.

Principiul care condus tratarea compozitelor naturale a fost cunoaşterea lor aprofundată pentru înţelegerea rolului şi a proceselor naturale care stau la baza funcţionării lor, în contextul relaţiilor pe care le au cu celelalte structuri ale organismelor, în scopul reproducerii ex vivo, refacerii sau înlocuirii lor sau a unor părţi ale acestora cu biomateriale avansate.

Pe baza multor date bibliografice recente, lucrarea vine în întâmpinarea noilor concepte de design, de producere şi de control a structuralizării materialelor biomimetice, a celora inteligente, a biopolimerilor şi a biomaterialelor, indicând noi direcţii de studiu şi de cercetare.

Delimitând o primă parte a lucrării, acesta prezintă amplu componentele esenţiale ale lumii vii punându-se accentul pe compoziţia, structura şi funcţionalitatea biopolimerilor: colagenul, elastina, cheratina, mucopolizaharidele, polizaharidele.

Biopolimerii specifici unor compozite naturale sunt trataţi în o a doua parte a lucrării. Astfel, fibroina din mătasea de viermi de mătase, draglina de paianjen, celuloza, lignina şi hemicelulozele din lemn, chitina din cuticula insectelor şi cochiliile moluştelor sunt tratate în capitolele privind biocompozitele în cauză.

Albuminele, globulinele, proteinele fiziologic active (enzime, hormoni, toxine), fibroina, fac obiectul capitolului nr.6. Dintre biocompozite, prezenta lucrare tratează doar cartilajele, ligamemtele, tendoanele, osul, muşchiul, mătasea, lemnul, cuticula insectelor, cochiliile moluştelor, compozite naturale de diverse provenienţe, compoziţii şi proprietăţi, în timp ce sângele, material compozit complex, face obiectul unei lucrări separate din aceeaşi colecţie de carte (Sustituenţi sanguini). Doresc să aduc mulţumiri tuturor celor care m-au sprijinit în elaborarea prezentei lucrări: Florin Topoliceanu profesor universitar, întemeitor şi decan al Facultăţii de Bioinginerie Medicală din Iaşi, Julian Vincent profesor universitar în biomimetică la Universitatea din Bath, Anglia şi preşedinte al Biomimethics Research and Development, Gheorghe Chiriţă profesor universitar doctor docent, părintele chimiei colagenului din România, preşedinte pe viaţă al S.R.C.T.I.P., Ion Poeată profesor universitar la Facultatea Bioinginerie Medicală, U.M.F. Iaşi. Mihai Chiriţă

Biopolimeri şi compozite naturale I

CUPRINS

1.Introducere 1 1.1. Istoric 4 1.2. Materiale compozite. Definiţii. Consideraţii generale. 9 Bibliografie 13 2. Componente principale ale compozitelor naturale 14 2.1. Glucidele 14 2.1.1. Monozaharidele 14 2.1.2. Oligozaharidele 18 2.1.3. Polizaharidele 20 2.2. Lipidele 22 2.2.1. Lipidele simple 22 2.2.2. Lipidele compuse 23 2.3. Proteinele 25 2.3.1. Proteine. Structură generală 26 Bibliografie 33 3. Cheratinele 34 3.1.Biosinteza cheratinelor 36 3.1.1.Formarea precursorilor 37 3.1.2. Fibrilogeneza 37 3.1.3. Organizarea 38 3.1.4. Stabilizarea 39 3.1.5. Cheratinizarea 39 3.2.Proprietăţile fizico-chimice ale cheratinelor 44 Bibliografie 48

Biopolimeri şi compozite naturale II 4. Proteine colagenice 49 4.1. Introducere 49 4.2. Colagenul tip I 53 4.2.1. Biosinteza colagenului 53 4.2.1.1. Faza intrafibroblastică 53 4.2.1.2. Faza extrafibroblastică 56 4.3. Structura colagenului 59 4.3.1. Compoziţia în amino-acizi 59 4.3.2. Structura primară a colagenului 60 4.3.3.Structura secundară a colagenului 62 4.3.4. Structura terţiară a colagenului 64 4.3.5. Structura cuaternară a colagenului 69 4.3.6. Tipuri de legături la colagen 75 4.4. Proprietăţile fizice, chimice şi biochimice ale colagenului 76 Bibliografie 115 5. Proteine elastice 128 5.1. Elastina 129 5.1.1. Introducere 129 5.1.2. Caracteristicile histologice ale ţesutului elastic 130 5.1.3. Chimia elastinei 131 5.1.3.1. Compoziţia în amino-acizi 131 5.1.3.2. Structura elastinei 134 5.1.4. Proprietăţile fizice şi chimice ale elastinei 136 5.1.4.1. Comportarea la tensiune-deformare a elastinei 137 5.1.5. Elastazele şi acţiunea lor asupra elastinei 138 5.2. Rezilina şi abductina 139 Bibliografie 141 6. Alte proteine mai importante 142 6.1. Proteine solibile 142 6.1.1. Albumine şi globuline 142 6.1.2. Proteine vegetale 148 6.1.3. Proteine fiziologic active 149 6.1.3.1. Enzime 149

Biopolimeri şi compozite naturale III 6.1.3.2. Hormoni 165 6.1.3.3. Toxine 177 6.2. Proteide 177 Bibliografie 181 7. Mucopolizaharide

183

7.1. Introducere 183 7.2. Structura catenelor polizaharidice 184 7.2.1. Acidul hialuronic 184 7.2.2. Condroitin-mucopolizaharida 185 7.2.3. Sulfatul de dermatan 186 7.2.4. Heparina 187 7.2.5. Sulfatul de heparină 187 7.2.6. Sulfatul de keratan 188 7.3. Fragmentul de proteină al mucopolizaharidelor şi legătura de hidrat de carbon – proteină

188

7.4. Proprietăţile mucopolizaharidelor 189 7.5. Hidratarea mucopolizaharidelor 190 Bibliografie 192 8. Ţesuturile conjunctive 193 8.1. Prezentare generală 193 8.2. Constituţia şi proprietăţile ţesuturilor conjunctive 196 8.2.1. Clasificarea şi caracteristicile ţesuturilor conjunctive 199 Bibliografie 206 9. Cartilaje, ligamente, tendoane 207 9.1. Cartilaje 207 9.1.1. Consideraţii generale 207 9.1.2. Chimia colagenului din cartilaje 213 9.1.2.1. Sinteza colagenului din cartilaje in vitro 215 9.1.2.2. Localizarea imunohistochimică a colagenului în cartilaj 217 9.1.2.3. Schimbări ale tipurilor de colagen în dezvoltarea cartilajelor

217

Biopolimeri şi compozite naturale IV 9.1.2.4. Degradarea, regenerarea şi autoimunitatea colagenului în cartilajele bolnave

218

9.1.2.5. Autoimunitatea colagenului din cartilaj 219 9.1.2.6. Regenerarea colagenului din cartilaj 219 9.1.3. Glicozaminoglicanii din cartilaje 220 9.1.3.1. Glicozaminoglicanii 220 9.1.3.2. Proteoglicanii 221 9.1.3.2.1. Consideraţii generale 221 9.1.3.2.2. Depunerea şi degradarea glicozaminoglicanilor 221 9.1.4. Compoziţia şi structura cartilajului în relaţiile cu proprietăţile mecanice

225

9.1.5. Calcificarea cartilajelor 226 9.1.6. Vătămarea cartilajului articular 228 9.1.6.1. Terapia articulaţiei 229 9.1.6.1.1. Lezarea membranei sinoviale sau a capsulei fibroase a articulaţiei

230

9.1.6.1.2. Lezarea cartilajului articular 231 9.1.6.1.3. Tratamentul articulaţiei 231 9.1.6.1.4. Autorepararea cartilajului articular 233 9.1.6.1.5. Regenerarea cartilajului articular 233 9.2. Ligamente 235 9.3. Tendoane 236 Bibliografie 239 10.Osul 245 10.1. Compoziţia osului 245 10.2. Structura osului 247 10.3. Formarea osului 250 10.4. Reconstituirea osului 251 10.5. Compoziţia chimică şi proprietăţile fifice ale osului 251 10.6. Osul compact 252 10.7. Osul spongios 257 10.8. Degradările osului 259 10.9. Fracturile 259 10.10. Proprietăţile mecanice ale osului 260

Biopolimeri şi compozite naturale V 10.10.1. Proprietăţile mecanice ale osului compact 260 10.10.2. Proprietăţile mecanice ale osului spongios 263 10.10.3. Dentina 264 10.11. Substituienţi osoşi 265 10.11.1. Consideraţii generale 265 10.11.2. Ceramici de fosfat de calciu. 267 Bibliografie 271 11. Muşchiul 276 11.1. Consideraţii generale 276 11.2. Fibra musculară 277 11.3. Constituienţii chimici ai muşchiului 281 11.3.1. Proteinele sarcoplasmatice 284 11.3.2. Proteinele miofibrilare 284 11.3.2.1. Proteinele contractile 284 11.3.2.2. Proteinele reglatoare 288 11.4. Contracţia musculară 290 Bibliografie 292 12. Pielea 294 12.1. Introducere 294 12.2. Suprafaţa corpului 295 12.3. Constituţia pielii 303 12.3.1. Epiderma 304 12.3.2. Anexele epidermei 313 12.3.2.1. Părul 313 12.3.2.2. Glandele sebacee 318 12.3.2.3. Glandele sudoripare 320 12.3.2.4. Unghiile 323 12.3.2. Derma 323 12.3.3.1. Stratul papilar 324 12.3.3.2. Stratul reticular 325 12.3.4. Hipoderma 327 12.4. Proprietăţile mecanice şi termice ale pielii 328 12.5. Acţiunea mediului înconjurător asupra pielii 331

Biopolimeri şi compozite naturale VI 12.6. specte privind îmbătrânirea pielii 334 Bibliografie 336 13. Mătasea 337 13.1. Introducere 337 13.2. Biologia mătăsii 338 13.3. Compoziţia mătăsii 338 13.4. Structura mătăsii 341 13.5. Proprietăţile mătăsii 347 13.5.1. Proprietăţile mecanice ale mătăsii 349 13.5.2. Proprietăţile fizice ale mătăsii 350 13.5.3. Proprietăţile chimice ale mătăsii 351 Bibliografie 357 14. Alte compozite organice naturale 360 14.1. Lemnul 360 14.1.1. Compoziţia chimică şi proprietăţile componentelor lemnului

362

14.1.2. Proprietăţi mecanice ale lemnului 369 14.2. Cuticula insectelor 371 14.3. Cochiliile moluştelor 376 Bibliografie 380