MATERIALE BIOCOMPATIBILE

2009

Curs 1

Introducere

Un biomaterial este un material inert şi nonviabil, utilizat la confecţionarea unui dispozitiv medical, cu scopul de a interacţiona cu sistemele biologice

Orice material de origine naturala sau sintetica ce vine in contact cu tesuturi, sange sau fluide biologice si se foloseste in aplicatii prostetice, terapeutice sau de depozitare fara a afecta in mod negativ organismele vii sau componentele acestora.

•aplicaţii medicale•la dezvoltarea culturilor de celule•pentru a analiza proteinele din sânge în laboratoare clinice•echipamente pentru procesarea biomoleculelor•aplicaţii biotehnologice

Elementul comun este interacţiunea dintre sistemele biologice şi cele artificiale sau cu materiale naturale modificate.

2500 IC Egipt lemnChina, America de SudUr, jad

1893-1912: W.A. LanePlăci de fixare cu şuruburi

1947: J. CottonTitan şi aliaje de titan

Hieronymus Fabricius ab Aquapendente (1533-1619)

Opera Chirurgica

sau

Operationes chirurgicae

(1619)

Johannes Schultheiss

Arsenal of Surgery,1655

Introducere

Biocompatibilitatea este abilitatea unui material de a realiza un răspuns asemănător gazdei într-o aplicaţie specifică

Răspunsuri asemănătoare gazdei:•rezistenţa la coagularea sângelui•rezistenţă la colonizarea bacterială•vindecarea normală

Aplicaţii specifice:•membrane de hemodializă•catetere urinare•înlocuiri de articulaţii cu proteze de şold

Introducere

Membrana de hemodializă poate fi în contact cu sângele pacientului 3 ore.

O articulaţie de şold poate fi implantată pentru restul vieţii

pacientului.

Materiale biocompatibile 2008-2009

Introducere

• O mare parte dintre pacienţi necesită o proteză din a treia decadă de viaţă

• A crescut speranţa de viaţă• O eventuală schimbare a unei proteze

implică risc operator major şi deteriorări ireparabile ale scheletul osos

• Se impun durate de funcţionare de 40 – 50 ani

• În condiţiile creşterii speranţei de viaţă şi a unei mai bune calităţi a organelor şi ţesututilor, inclusiv la vârste înaintate se impune şi o calitate sporită a materialelor şi dispozitivelor medicale

100 80 60 40 20 0

0 20 40 60 80 100

100 80 60 40 20 0

Spe

ranţ

a de

via

ţă (

%)

Cal

itat

ea ţe

sutu

lui (

% d

in v

aloa

rea

la 2

0 an

i)

Speranţa de viaţă în 1900

Speranţa de viaţă în 2000

Calitatea ţesutului în anul 2000

Vârsta

Calitatea ţesutului în anul 1900

Comparaţia dintre speranţa de viaţă în anii 1900 şi 2000 cu efectul vârstei asupra calităţii ţesutului

conjunctiv

Cerinţele ce se impun materialelor destinate protezelor:

• - cerinţe de natură biologică;• - cerinţe de natură mecanică;• - cerinţe de natură tribologică;• - cerinţe de natură constructivă.

Un studiu al evenimentelor moleculare si celulare ce urmeaza contactului cu fluidele biologice sau tesuturile in vitro sau in vivo de la contactul initial la eventuala culminare a raspunsului.

Raspunsul biologic la contactul cu materialele

IntroducereCerinţe de natură biologică

Condiţia esenţială impusă articulaţiilor este aceea a biocompatibilităţii. Prin biocompatibilitate se întelege atât lipsa unei reacţii a corpului uman asupra implantului, cât şi stabilitatea implantului din punct de vedere chimic şi mecanic.

Înţelegerea şi măsurarea biocompatibilităţii reprezintă obiectivul principal şi domeniul specific pentru ştiinţa biomaterialelor. Deşi nu se poate stabili o definire unică şi precisă pentru modul de măsurarare a biocompatibilităţii, cel mai adesea, biocompatibilitatea unui biomaterial este apreciată prin succesul obţinut în cazul unei anumite aplicaţii

Aceste condiţii nu se rezumă numai la protezele masive, ci şi la microparticulele ce pot lua naştere ca rezultat al uzurii abrazive.

Pentru stabilirea biocompatibilităţii nu există o metoda cu grad ridicat de certitudine.

Pentru că cercetările de compatibilitate proteză – organism s-au rezumat numai la domeniul animal şi nu se poate avea o imagine completă a organismului la diverşi stimuli externi specifici omului

O altă dificultate majoră, se referă la timpul de încercare mult mai scăzut ca şi durabilitatea prognozată.

De aceea, sunt necesare extrapolari ale unor rezultate de câteva săptămâni asupra unor influenţe biologice pe durate de zeci de ani.

Biocompatibilitatea este un termen general insemnand ca un biomaterial, dispozitiv sau constructie poate fi adus in contact direct cu un tesut viu fara a :

•Cauza o reactie daunatoare tesutului (durere, inflamare sau necroza) care i-ar putea compromite functia ; •Cauza o reactie sistemica toxica; sau•Avea potential tumorigenic.

IntroducereCerinţe de natură mecanică

• biomaterialele trebuie să îndeplinească simultan condiţia de rezistenţă, dar şi de rigiditate (în cazul în care înlocuiesc ţesuturi dure) sau condiţia de flexibilitate (în cazul în care înlocuiesc ţesuturi moi).

• rezistenţă statică şi dinamică ridicată;• un modul de elasticitate asemănător cu cel al osului; se evită

astfel salturile de rigiditate în acest „compozit” os – proteză;• Din punct de vedere al durabilităţii mecanice, cerinţele sunt

diferite de la un implant la altul (de la cateva zile până la zeci de ani

• stabilitatea proprietăţilor mecanice într-un mediu corporal (de natură salină).

Exemplu

O articulaţie cocso – femurală este solicitată de (1...2)·106 cicluri de sarcină/an.Forţa de compresiune este de cca. 2000 N în poziţia stând pe un picior, la o greutate de 600 N. Solicitarea dinamică în timpul mersului normal poate creşte până la de patru ori greutatea corporală.Forţa de rupere a „gâtului” articulaţiei sănătoase la un om tânăr este de 10000 N. La oameni în vârstă (care au oase mai poroase) valoarea forţei de rupere scade la 5000 N.Corespunzător sarcinii de rupere de 10000 N, rezistenţa la încovoiere a osului este de maximum 100 MN/m2.

Introducere

Cerinţe de natură tribologică• Deoarece vitezele de alunecare din articulaţii sunt de circa 0,05

m/s, se apreciază că materialele aflate în contact sunt supuse unor forţe extreme ce au ca efect uzarea lor.

• Din motive geometrice se impune ca viteza de uzare la o solicitare pe o perioadă de 40 ani să nu depăşească 1 mm/40 ani.

• Este important rolul particulelor de uzură. Individual luate, aceste particule sunt perfect suportate de organismul uman. Ele nu pot fi evacuate din articulaţia capsulată având efecte nefaste asupra funcţionării normale a articulaţiei.

• Coeficientul de frecare trebuie să fie cât mai mic. În plus, trebuie menţionat că forţele de frecare ce apar la interfaţa os – implant dau naştere unor tensiuni tangenţiale suplimentare.

Introducere

Cerinţe de natură constructivă• Protezele trebuie astfel realizate încât să răspundă şi unor cerinţe

legate de montarea lor în sistemul osos. Implantarea trebuie să fie simplă şi sigură şi să permită o eventuală reoperare.

• Conceptual, protezele sunt realizate astfel încât să se permită posibilitatea de ancorare în structura osoasă. Deci, nu trebuie neglijate posibilităţile de punere în operare şi de prelucrare la cotele finale.

• Protezelor şi, în special, articulaţiilor, le sunt solicitate o precizie a formei deosebită, astfel încât componentele conjugate ale implantului (exemplu „nuca” şi „cavitatea sferică”) să prezinte un joc similar pe toată suprafaţa.

• Materialele utilizate trebuie, de asemenea, să aibă o prelucrabilitate superioară, rugozitatea suprafeţelor de alunecare având o importanţă deosebită pentru comportarea la uzură şi alunecare

Unde se gasesc biomaterialele?

Ati fi considerat aceste materiale ca fiind biomateriale?

Colagen, hidrogel

Bandaje corneice Poli(metil metacrilat), cauciuc siliconic,

Lentile intraoculare

Electrozi de platinăÎnlocuiri cohleareSimţuri

Cauciuc siliconicMaşină inimă – plămâni

Celuloză, poliacrilonitrilRinichi artificial (homodializor)

Compozite silicon – colagenŞabloane pentru repararea pielii

PoliuretanInimi artificiale

Organe

Cauciuc siliconic, teflon, poliuretanCatetere

Ţesut reprocesat, oţel inoxidabil, carbonValve de inimă

teflon, poliuretanProteze pentru vasele de sânge

Sistemul cardiovascular

Titan, alumină, fosfat de calciu

Titan, Ti-Al-V, oţeluri inoxidabile, polietilenăImplante dentare pentru fixarea dinţilor

TeflonTendoane şi ligamente artificiale

HidroxiapatităReparaţii ale defectelor osoase

Poli(metil metacrilat)Cimenturi osoase

Oţeluri inoxidabile, aliaje cobalt – cromPlăcuţe osoase pentru fixarea fracturilor

Titan, aliaje de Ti-Al-V, oţeluri inoxidabile, polietilenă

Înlocuire de articulaţii (şold, genunchi)Sistemul scheletal

Tipuri de materialeAplicaţii

Introducere

Aplicaţii Tipuri de materiale

Înlocuire de articulaţii (şold, genunchi)

Titan, aliaje de Ti-Al-V, oţeluri inoxidabile, polietilenă

Plăcuţe osoase pentru fixarea fracturilor

Oţeluri inoxidabile, aliaje cobalt – crom

Reparaţii ale defectelor osoase

Hidroxiapatită

Sistemul scheletal

Stomatologie

Punţi Titan, aliaje de Ti-Al-V, oţeluri inoxidabile

implante dentare pentru fixarea dinţilor

Aplicaţii Tipuri de materiale

Stenturi Oşel inoxidabil, aliaje Ni-Ti

Valve de inimăOţel inoxidabil, carbon

Sistemul cardiovascular

Aplicaţii Tipuri de materiale

Inimi artificiale Poliuretan

Rinichi artificial (homodializor)

Celuloză, poliacrilonitril

Organe

Introducere

Aplicaţii Tipuri de materiale

Lentile intraoculare Poli(metil metacrilat), cauciuc siliconic, hidrogel

Bandaje cosrneice Colagen, hidrogel

Simţuri

In administrarea de medicamente

Aplicatii viitoare-Inlocuirea tesuturilor

Clasificarea dispozitivelor medicale Din punct de vedere al duratei de uitlizare, ivazivitatii si al

riscurilor la utilizare: Dispozitive de clasa I: bandage adezive etc. –invazivitate

redusa, nu vin in contact intern cu utilizatorul Dispozitive de clasa a II-a: dispozitive auditive, pompe de

sange, catheters, lentile de contact, electrozietc. –grad de invazivitite si de risc redus dar pe durate relativ reduse

Dispozitive de clasa a III-a: pacemakere cardiace, dispozitive intrauterine, lentile intraoculare, valve cardiace, implante ortopedice, etc. – considerabil mai invazive si supun utilizatorul la un risc foarte ridicat

Fabricarea dispozitivelor medicale

• Unul din primii pasi implica selectia materialelor biocompatibile potrivite . • Acesta este un pas esential deoarece tipurile de teste cerute pentru

evaluarea dispozitivului depind de natura fizica si chimica a materialelor componente si de natura expunerii dispozitivului in corp.

• Un material specific poate sa para potrivit pe baza proprietatilor fizice, a costului si a disponibilitatii dar poate contine compusi chimici toxici.

• Este indicat sa se analizeze materialele candidate intr-o faza initiala pentru a le elimina pe acelea care sunt toxice, si a le selecta pe acelea care sunt suficient de biocompatibile sau sunt ne-toxice.

• Constituentii chimici trebuie identificati si cuantificati pentru evaluarea finala a sigurantei dispozitivului

Introducere

În activitatea de cercetare şi realizare a dispozitivelor medicale interacţionează o serie de factori care provin din sfere diferite ale activităţii umane:

• dorinţa de a alina suferinţa şi moartea; • senzaţia produsă de o nouă idee ştiinţifică; • imperativele corporaţiilor de a obţine profit din vânzarea

dispozitivelor medicale; • relaţia riscuri – beneficii;• ideea de refacere a capacităţii de muncă;• mandatul agenţiilor de reglementare de a proteja pacienţii în

calitatea lor de consumatori.

Introducere

Consideraţiile etice• Este justificată folosirea animalelor?• I se permite pacientului să „oprească funcţionarea dispozitivului” dacă

calitatea vieţii nu este satisfăcătoare? • Poate o companie de dispozitive ortopedice să producă două modele de

proteze de şold: una cu durată de viaţă de 20 ani (pentru pacienţi tineri, activi) şi alta care are acelaţ preţ dar cu durată de viaţă de 7 ani (pentru indivizi în vârstă), cu scopul de a salva resurse, astfel încât mai mulţi indivizi să poată primi îngrijirea potrivită?

• Reglementările şi standardele se adresează cu adevărat siguranţei? Dacă costul reglementării este mai mare decât costul pentru întreţinerea sănătăţii şi împiedică îmbunătăţirea dispozitivelor, cine mai are nevoie de ele?

Stiinta biomaterialelor este un subiect interdisciplinar

Biomaterialistii includ cercetatori in domeniul fizicii, ingineri, dentisti, cercetatori in domeniul biologiei, chirurgi

Cercetatorii in domeniul biomaterialelor Studiaza interactiunile substantelor naturale si sintetice si a dispozitivelor implantate cu celulele vii, componentele acestora precum si cu complexele de tipul organelor si tesuturilor

• Companiile asigură fonduri pentru cercetarea multor biomateriale şi îşi însuşesc proprietatea acestora. Cum pot nevoile pacientului să fie cel mai bine echilibrate cu scopurle financiare ale companiilor? Dacă se consideră că cineva trebuie să fabrice dispozitive medicale – cum vor fi acestea disponibile dacă compania nu a decis ca acesta să le fabrice?

• Cum poate cercetarea folosind oameni să conducă la minimizarea riscului pacientului şi să ofere un raport risc – beneficiu? Cum se poate asigura cel mai corect consimţământ informat?

• Poate guvernul să plătescă pentru îngrijirea sănătăţii pacienţilor ce primesc dispozitive care nu au fost încă aprobate formal pentru utilizare generală de către organismele de reglementare?

Introducere

Judet în 1946 a înlocuit „nuca” cu o piesă sub formă de ciupercă, ce s-a ancorat cu o tijă în gâtul femurului Iniţial, s-a utilizat polimetacrilatul de metil (plexiglas).

Rezistenţa mecanică scăzută, ce a condus la ruperea ştiftului sau necroza lagărului osos, datorită tensiunilor mari, precum şi fenomene de uzură galopantă (rezultă astfel desprinderea de particule, dând reacţii de corp străin) au făcut ca durata de utilizare să nu depăşească 3...5 ani.

Introducere

În 1950 Moore înlocuieşte proteza din PMMA cu un superaliaj, ancorând-o în osul femurului

Tija prezintă zimţi laterali care să pătrundă în ţesutul osos pentru ancorare corespunzătoare.

Şi la acest tip de proteză „contrapiesa” este de natură umană

Introducere

Urmare a deficienţelor arătate, se încearcă înlocuirea totală a articulaţiei. Astfel, contrapiesa (cavitatea sferică), se confecţionează dintr-un aliaj metalic

Tehnica utilizată de McKee şi Farrar prezintă, însă, dezavantajul unor deformări accentuate ale cavităţii (fiind mai subţire) în contact cu particulele osoase aduse în spaţiul articulaţiei

Introducere

Charley înlocuieşte cupa de metal cu una din polietilena de înaltă densitate (PEHD)

Introducere

Varianta modernă de proteze “pe măsură”

Introducere

Proteză cu bilă mecanică şi acoperire cu hidroxiapatită

Articulaţie cu frecare ceramică-ceramică

Introducere

Journal of Biomedical Materials Research•Biomaterials•Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition •Journal of Biomaterials Applications •Journal of Materials Science: Materials in Medicine•Journal de Biomatériaux Dentaire

Societatea Romana de Biomateriale

www.biomat.net)(www.devicelink.com)

www.biomaterials.orgThe Society For Biomaterials