TEMA 7. BIOMATERIALELE

Cuprins

1. Introducere 2. Clasificarea biomaterialelor.

o 2.1. După origine.o 2.2. După compoziṭie. o 2.3. După timpul de şedere în organism. o 2.4. După scopul aplicației medicale.o 2.5. După localizare.o 2.6. După interacṭie cu organismul.

3. Aplicaṭiile biomaterialelor 4. Biomateriale folosite în diferite organe 5. Biomateriale folosite în diferite sisteme ale corpului omenesc Bibliografie Surse din Internet.

1. Introducere

Biomaterialele reprezintă materiale naturale sau sintetice aflate în contact/interacțiune cu organismele vii şi fluide biologice. Ele sunt folosite pentru a înlocui total sau parțial forma şi funcṭiile ţesutului sau organului bolnav, dar şi la interfaţa cu un mediu biologic, incluzând dispozitive medicale pentru diagnostic şi stocare a medicamentelor sau chiar biochip-uri care s-ar putea integra în calculatoare. Biomaterialele joacă un rol important nu numai în diagnoza şi tratarea unei boli dar şi în evoluţia ei ulterioară, deoarece la contactul cu materia vie, reacṭia reciprocă biomaterial- organism poate să fie benefică sau dăunătoare.

In momentul actual apar pe piata produse si aplicatii, posibile doar prin utilizarea de procedee si materiale noi: nanomateriale, biomateriale, materiale inteligente, materiale biodegradabile si materiale biomimetice. Aceste noi tehnologii vor continua sa imbunatateasca si sa revolutioneze calitatea vietii noastre in secolul 21 si sa plaseze ingineria de materiale in centrul schimbarilor si tehnologiilor avansate

Știinṭa biomaterialelor se ocupă cu studiul materialelor folosite în medicină şi biologie şi implică nu numai cercetările fundamentale şi dezvoltarea unor tehnologii avansate, dar şi anumite cerinţe medicale privind carcateristicile şi siguranţa în utilizarea materialelor, considerații etice, reglementări internaționale precum şi aspecte industriale care presupun realizarea efectivă a implanturilor sau a dispozitivelor medicale.

O altă definiţie ar deasemenea justă: Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele vii şi materiale”, iar biomaterialele ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de substanţă, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte, sau înlocuieşte un ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”.

2. Clasificarea biomaterialelor2.1. După origine biomaterialele sunt:

1

1. Naturale - proteine (keratină, fibrinogen, colagen, gelatină) şi fibre proteice (mătase, lână, păr), catgut, polizaharide (bumbac, materiale celulozice, dextran, amilază), metale (titan, nichel, magneziu, zinc,etc);

2. Sintetice - polimeri şi combinaṭii ale acestora, aliaje a unor metale, sticle, materiale ceramice şi compozite

2.2.După compoziţia chimică materialele sunt:

1. Metale şi aliaje - au conductibilitate electirică şi termică bună, rezistenţă mecanică şi rigiditate mare, conductibiliatate şi rezistenţă la şocuri; sunt folosite în ortopedie, chirurgie orală şi maxilo-facială, în chirurgia cardiovasculară;

2. Polimeri – au conductibilitate electrică, termică şi rezistenţă mecanică slabă, nu se pot prelucra la temperaturi mari, sunt foarte ductili, plastici şi rezistenți la şocuri; sunt folosiți în aplicații medicale - de exemplu hidrogelurile sunt structuri polimerice reticulare utilizate pentru lentile de contac, membrane pentru hemodializă, înlocuiri de coarde vocale, piele artificială, tendoane;

3. Materiale composite - au proprietăți foarte diferite, în funcṭie de combinaţia de materiale din care sunt formate, cum ar fi metal/metal, metal/polimer, polimer/polimer, polimer/ceramică, etc.

4. Materiale ceramice – au rezistenṭă mare raportată la masă, rigiditate şi rezistenṭă la şoc, rezistenţă la coroziune. Sunt utilizate în stomatologie, oftalmologie, ca instrument pentru diagnosticare, termometre, fibre optice pentru endoscopie.

2.2. După timpul de şedere în organism biomaterialele sunt:

1. Temporare - fire de cusutură, proteze esofagiene, unele proteze ortopedice, sonde pentru diagostic, seringi, catetere

2. Permanente - fire de cusutură (depinde de tipul de operație), bypass-uri, valve cardiace, proteze ortopedice, lentile intraoculare;

2.3.După scopul aplicației medicale sunt:

1. Biomateriale pentru înlocuire de țesut dur - în ortopedie, stomatologie (dentistică);

2. Biomateriale pentru înlocuire de țesut moale - în cardiologie, oftalmologie;3. Biomateriale cu funcţii specifice - membrane pentru transport de medicamente şi

sânge, membrane de dializă, stimulare cardiacă, plămân artificial, biomateriale de diagnostic, terapie, instrumentație;

2.4. După localizare biomaterialele pot fi:

1. Intracorporale - realizate sub formă de dispozitive complexe de stimulare a proceselor fiziologice (rinichi artificiali pentru dializa sângelui, plămân artificial de oxigenare a sângelui, inimă artificială, pancreas artificial pentru eliberare de insulină), sub formă de dispozitive semipermanente sau pentru dispozitive temporare;

2. Paracorporale - utilizate la interfaṭa cu mediul biologic3. Extracorporale - utilizate pentru transportul sângelui şi a lichidelor transfuzabile,

containere farmaceutice, tuburi, seringi, instrumente chirurgicale, materiale de împachetare (sterile şi nesterile).

2

2.5. După interacţiune cu organismul se cunosc materiale:

1. Bioinerte - care nu provoacă răspuns (sau provoacă răspuns minim) din partea gazdei, deci nu interacţionează cu ţesutul viu cum ar fi - porțelanul dentar sau unele biosticle, în contact direct cu osul sau separate de acestea printr-un strat subțire;

2. Bioactive - care presupun interacţiuni fizico-chimice cu ţesutul viu şi dau răspunsuri benefice, refacerea în zona de contact şi stimularea creşterii de celule endoteliale

3. Biotolerate - separate de organism printr-o interfaṭă suficient de groasă încât nu apar perturbări importante de compatibiliate cu acestea;

4. Bioresorbabile - supuse unui proces de dizolvare/ resorbție după introducere în organism, sunt treptat înlocuite prin avansul țesutului viu.

5. Hibride - care presupun asocierea unui material inert cu celule vii.

4. Aplicaţiile biomaterialelor

Domeniul Exempluînlocuire unei părți bolnave sau vătămate articulaṭii artificiale de şold, rinichi artificialiasistarea la vindecare suturile, plăcile şişuruburile la osîmbunătăṭirea funcṭiei stimulator cardiac, lentile de contactcorectarea anomaliilor funcṭionale tijă verticală Harringtoncorectarea unor probleme estetice mamoplastie de mărire, mărirea bărbieiajutor în stabilirea diagnosticului sonde, tuburi de drenajajutor în aplicarea tratamentelor tuburi de drenaj, canule

5. Biomateriale folosite în diferite organe.

Organul ExempleInima stimulator cardiac, valvă artificială de inimăplămânul aparat de oxigenare (plămân artificial)Ochiul lentile de contact, înlocuirea cristalinuluiUrechea agrafe artificiale, corectarea estetică a urechii externeRinichi rinichi artificial (aparat de dializă)vezica urinară tuburi de drenaj

6. Biomateriale folosite în diferite sisteme ale corpului omenesc

Sistemul ExempleOsos plăci de os, înlocuirea articulaṭiilormuscular suturiDigestiv suturicirculator valve de inimă şi vase de sânge artificialerespirator aparate de oxigenare (plămân artificial)tegumentar suturi, acoperirea arsurilor, piele artificialăUrinar tuburi drenaj, rinichi artificialiNervos canal hidrocefal, stimulator cardiacendocrin celule pancreatice microîncapsulatereproductiv mamoplastie, alte înlocuiri estetice.

3

Biomaterialele se folosesc pentru: tratament, restabilire, şi înlocuire a:

- porţiunilor de piele de pe suprafaţa acesteia şi ţesutului muşchios; - vaselor sanguine; - fibrelor nervoase; - ţesutului osos. În medicină se utizează peste 1000 de diferite materiale pentru înlocuirea peste 40 de parţi diferite a corpului uman. Biomaterialele, suplimentar, pot fi divizate în 2 grupe: transplanturi şi implanturi. Un loc deosebit îl ocupă biomaterialele construite din celulele organismului ori care sunt purtători a acestora. Din prima grupă fac parte organele şi ţesuturile care sunt transplantate de la însuşi pacient ori de la cei apropiaţi (exemplu: rinichiul, o porţiune de piele ori de os). În astefel de situaţii problema biocompatibilităţii ori n u apare, ori, organul este respins complet de organism. În primul caz, dacă are loc, are loc o asigurare completă a funcţionării în organism. Grupa a doua reprezintă materialele „ ne vii” care nu au ceva comun cu organismul viu. Pentru astfel de materiale nu poate exista condiţia de compatibilitate genetică. Este necesară existenţa, în primul rînd a compatibilităţii biologice, şi ca principiu, lipsa proprietăţilor toxice. Aceste materiale nu pot înlocui pe deplin funcţiile organului (ţesutului) înlocuit.

Elaborările din domeniul ingineriei genetice şi a operaţiilor cu culturi celulare oferă posibilităţi de a introduce culturi de celule în biomaterialul servit ca implant (exemplu: schimbarea osului care este un material poros) cu scopul, ca acest material în timp în mediul organismului să se dizolve, iar celule lui ar constru în baza acestuia ţesutul osos biologic natural. Astfel se va produce biomineralizarea.

Elaborările în domeniul construirii ţesuturilor crescute în mediu de alimentaţie în baza celulelor omului care are necesitate în ajutor sunt destul de promiţătoare. Astfel de ţesuturi nu provoacă dificultăţi la schimbarea or iînlocuirea porţiunilor defectate deoarece sunt identice ţesutului pacientului concret, dar după proprietăţi repetă organele pierdute ori defectate.

Factorii de influenţă asupra răspunsului biologic la hotarul întreimplantul ortopedic şi ţesut

Reacţia din partea ţesutului depinde de: Reacţia din partea implantului depinde de:Genul ţesutului Conţinutul implantuluiCaracterului leziunii ţesutului Fazele implantuluiVîrsta ţesutului Hotarele între fazeCirculaţia sîngelui şi a limfei în ţesut Structura suprafeţeiCirculaţia sîngelui la hotarul ţesut/inplant Porozitatea suprafeţeiMişcării ţesutului la hotarul ţesut/inplant Reacţiile electrochimiceLocul introducerii implantului Precizia ajustării implantuluiSarcinii mecanice Caracterul sarcinilor mecaniceReacţiile generale a organismului (de imunitate, alergice, neuroendocrine)

Exercitarea funcţiilor na nivelul organismului

Mulţimea de materiale biocompatibile ar putea fi clasificată în modul următor:

1. Materiale compatibile biologic cu organismele vii (teflon, silicon, policarbonaţi, polietilen, poliactizi, titan ş.a.).

4

2. Materiale cu proprietăţi antitromb (pentru contact îndelungat cu sîngele şi utilizate pentru fabricarea protezelor sub formă de vase sanvguine, valve a inimii, diafragmelor la plămîni);

3. Materiale adsorbente pentru fabricarea rinichiului, plămînului, inimii artificiale (cărbunele activat, zirconiu, răşine ş.a.).

4. Substanţe de transport a oxigenului.5. Materiale peliculare pentru dializă (pentru obţinerea peliculelor de dializă care selectiv

elimină din organism produsele de schimb).6. Materialele fibroase (microporoase cu o mare eficacitate de schimb de substanţă pentru

fabricarea organelor sintetice – rinichi, capilarele din silicon în plămînii sintetici).7. Materiale pentru microincapsulare necesare pentru fabricarea microcapsulelor cu diametrul

de ordinul unui micron pentru sistemele de transport a preparatelor medicamentoase, ori a oxigenului.

8. Materiale elastice, dure la frecare pentru confecţionarea vaselor sintetice şi articulaţiilor, valvelor inimii, capabile să reziste o durată mare de timp în condiţii de suprasarcini mecanice.

9. Cleiuri biologice pentru unirea ţesuturilor din fragmente de intestine, vase sangvine, rezistente la acţiunile agresive a organismului care nu provoacă căldură şi substanţe de natură toxică.

10. Materiale composite, inclusiv multiple utilizări. Pot fi obţinute prin variaţia conţinutului de polimeri din rîndul gomologic şi materiale sintetice cu metalele, biopolimerilor cu polimerii sintetici ori metalele. Pot fi obţinute materiale cu proprietăţi funcţionale principial noi.

Bibliografie

1. Nicoleta Dumitraşcu- Biomateriale şi biocompatibilitate, Editura Universităṭii „Alexandru Ioan Cuza” Iaşi, 2007.

2.Viorica Șimon – Fizica biomaterialelor, Presa Universitară Clujeană, 2002. 3.Corneliu Cincu, Horia Iovu, Cătălin Zaharia, Aurel Diacon. Biomateriale polimerice şi aplicaţii medicale, Editura POLITEHNICA Press, Bucureşti, 2009, - 410 p.

Surse pentru căutare în Internet.1. http://biomateriale.ro/

2. http://www.srb.ro/ 3. http://www.biomaterials.org/ 4. http://jba.sagepub.com/

5