Obtinerea hidroxiapatitei si a aluminei - Obtinerea biomaterialului compozit

INTRODUCERE

Un biomaterial este orice material sintetic care este utilizat pentru o restabilire sau inlocui functia unui tesut si care vine in contact cu fluidele fiziologice in mod contiunuu sau intermitent. Desi biomaterialele sunt in primul tand utilizate in aplicatii medicale, ele pot fi de asemenea utilizate:

Ca suport pentru culturile de celule;

In dispozitivele pentru manipularea proteinelor in laborator;

Pentru realizarea bio+chip+urilor pentru computere etc.

Un biomaterial trebuie sa indeplineasca anumite conditii:

Sa fie biocompatibil (sa nu produca efecte nocive: toxice, alergice, cancerigene asupra tesuturilor vii);

Sa fie stabil biochimic (sa nu sufere procese de degradare in timp, in contact cu mediul fiziologic);

Sa aiba proprietati mecanice asemanatoare cu cele ale tesutului substituit.

O proprietate necesara pentru orice material sintetic ce urmeaza a fi implantat in corp este biocompatibilitatea.

Biocompatibilitatea este proprietatea unui material de a indeplinii o anumita functie in mediul fiziologic, provocand in acelasi timp un raspuns adecvat din partea organismului.

Conform unei definitii mai general si oficial aprobata (Williams, 1987), un material cu biocompatibilitate optima este acela care nu determina nici o reactie adversa a tesutului. De asemenea, se asteapta din partea materialului implantat sa reziste oricarei tensiuni fiziologice fara sa prezinte vreo schimbare dimensionala substantiala, deformare a formei sau orice alt eveniment catastrofic. In concluzie, cerintele pentru implanturile permanente sunt, in general vorbind, aceleasi. Implanturile trebuie sa reziste oricarui atac degradativ sau coroziv din partea fluidelor fiziologice. Materialele lor constituente trebuie sa fie destul de rezistente pentru a rezista oricarei forte ce poate fi aplicate asupra lor pe timpul duratei lor de viata proiectata. Materialele trebuie sa aiba capacitatea de a fi fasonate in orice configuratie si forma necesare. Materialele trebuie sa nu altereze compozitia electrolitica a plasmei sau a tesuturilor, nu trebuie sa cedeze la coroziune electrochimica prin formare de celule galvanice, sa nu interfereze cu mecanismul normal de aparare al corpului, sa nu conduca la formarea de celule cancerigene si sa nu determine o ruptura catastrofica ca rezultat al fragilitatii. In final, si acest criteriu este cel mai important, materialele nu trebuie sa determine nici o trauma a sangelui, coagularea sau denaturarea proteinelor din sange.

Atunci cand un material este introdus in corp, trebuie luate in considerare doua aspecte. Unul este influenta mediul fiziologic, care poate schimba natura si proprietatile materialului. Celalalt este efectul materialului din care este realizat implantul si al fiecarui produs de degradare al acestuia, asupra fluidelor si tesuturilor din mediul inconjurator.

Trebuie subliniat faptul ca actiunea chimica a lichidelor fiziologice nu implica numai cateva reactii chimice de schimb ionic sau oxidare - reducere cu moleculele constituente ale unui biomaterial dat, dar, peste toate acestea, interactiunea unui mare numar de substante, inca necunoscute, care opereaza la nivelul unor substante complexe si care sunt capabile sa extraga in mod selectiv ioni specifici, producand in interiorul materialului o stare de dezechilibru fizico - chimic. Materialul poate astfel suferi diferite deteriorari chimice sau fizice.

Pe planul strict al materialelor, principalele teme de studiu fundamental ating urmatoarele probleme:

studiul reactiilor induse la nivelul interfetei sistemului viu-material. Aceste studii au in vedere in acelasi timp modificarile materialului si reactiile organismului;

crearea de materiale care poseda un cuplu de proprietati biofunctionale/biocompatibilitate mai bun. Pentru fiecare utilizare, aceste constrangeri sunt diferite si implica, deci, studii specifice. Reproducerea caracteristicilor functionale ale tesutului de inlocuit este o incercare care nu este stapanita complet inca, indiferent de material.

Conceptia de biomateriale, proprietati fizico-chimice

Conceptie microstructurala a compozitelor, a caror proprietati sunt compatibile cu cele ale fortelor biochimice din mediul natural de implantare.

Adaptare moleculara a compozitiei si suprafetelor materialelor pentru a raspunde fortelor biochimice si biomecanice, reactiilor celulare sau ale tesuturilor la contact.

v     Studii ale materialelor pentru acoperiri "multifunctie":

- adeziune

- duritate

- frecare

- conductivitate

- reactivitate chimica

- grad de inmuiere

v     Tratamente de suprafata:

- grefare

- filme subtiri

- gradienti de functionalitate

- multistraturi

- imbatranire

v     Mecanica contactelor:

- tribologie, nanotribologie

- contacte materie dura/materie moale

conditii de realizare de legatura sau de glisare modelare

v     Rupturi ale solidelor si a materiei moi:

- ruptura mediilor eterogene

- ruptura sticlelor

- fisurare la interfete

Biocompatibilitate si Biofunctionalitate

v     Consecintele sterilizarii:

- integritatea biomaterialului

- bioresorbabilitate

- agenti farmacologici incorporati

v     Stabilitate hidrolitica si enzimatica

v     Efecte citotoxice

- citocompatibilitate generala (adeziune, viabilitate, proliferare, etc.)

- citocompatibilitate specifica (expresie a fenotipului.)

v     Calitatea reparatiei tesutului

v     Efectul asupra tesuturilor invecinate

v     Performante functionale pe termen lung

Descoperirile recente sugereaza ca frecarile intre metal si polimer au un rol important in distrugerea implantului si in consecinta un interes deosebit a fost indreptat spre realizarea componentelor osului femural din materiale ceramice.

Materialele ceramice se caracterizeaza printr-o rezistenta la forfecare scazuta si in consecinta proiectarea componentelor implantabile trebuie sa se faca astfel incat sa fie valorificata rezistenta la eforturile compresive relativ ridicata a acestora.

Pentru materialele ceramice cum ar fi zircona (ZrO₂) sau alumina (Al₂O₃) capsula fibroasa care se formeazain jurul implantului este in general mai scazuta decat pentru metale.

Spre deosebire de metale, materialele ceramice nu prezinta deformare plastica caracterizata prin rupere fragila , acestea fiind probabil cel mai mare dezavantaj al lor din punct de vedere fiziologic.

Hidroxiapatita

Hidroxiapatita (HAp) este o ceramica pe baza de fosfat de calciu si este, de asemenea, folosita de peste 20 de ani in medicina si stomatologie.

Hidroxiapatita este similara chimic cu partea minerala a sesuturilor dure ale animalelor. Este osteoconductoare, permitand cretterea osului in interiorul implantului si in consecinta osteointegrarea.

Are tendita de a forma compusi nonstoichiometrici prin:

Substitutii cu diferiti anioni si cationi;

Aparitia unor defecte in retea.

Este cel mai putin solubil dintre fosfatii de calciu, se descompune termic la temperaturi cuprinse intre 800 - 1200 C in functie de modul de obtinere, in forma densificata nu are proprietati mecanice sufficient de bune pentru a pute fi folosita in aplicatii care presupun eforturi mecanice.

Diferite metode de obtinere:

Reactii in faza solida

Reactii de coprecipitare

Procese sol - gel

Reactii hidrotermale

Preparare biomimetica

Piroliza unui sol

Proprietati

Comparatie intre proprietatile mecanice ale unor materiale dense si cele ale tesuturilor osoase:

In corelatie cu proprietatile mecanice , ceramicile pe baza de fosfati de calciu pot fi folosite numai pentru umplerea defectelor osoase sau pentru reconstruirea unor tesuturi osoase care sunt supuse unor eforturi de compresiune.

Realizarea acoperirilor de fosfat de calciu este o practica larg utilizata in medicina, pentru a imbunatatii biocompatibilitatea implanturilor metalice.

Acoperirea fosfatica determina cresterea rugozitati suprafetei implantului imbunatatind si in acest mod legarea de os.

Alumina

Alumina (Al₂O₃) are o rezistenta excelenta la coroziune, o biocompatibilitate buna, rezistenta inalta, precum si o buna rezistenta la uzura.

Scopul lucrarii

Scopul acestei lucrari a fost sinteza unui biomaterial ceramic compozit care sa imbine proprietatile mecanice ale aluminei cu comportamentul biocompatibil al hidroxiapatitei. Pentru aceasta, au fost preparate amestecuri cu compozitii diferite de hidroxiapatita si alumina.

Alumina adaugata in diferite procente confera biomaterialului o rezistenta mecanica buna care corelata cu compatibilitatea ridicata a hidroxiapatitei duce la obtinerea unui biocompozit utilizabil pe scara larga in medicina.

Pentru obtinerea materialului compozit pe baza de hidroxiapatita si alumina s-a pornit de la un amestec a carui compozitie este prezentat in tabelul 1:

Tabelul 1.

Obtinerea biomaterialului compozit:

Rezultate experimentale obtinute pe biocompozitul sinterizat:

Caracterizarea compozitiei fazale prin difractie de raze X

Difractogramele rezultate in urma acestui studiu au demonstrat faptul ca fazele principale existente dupa atingerea starii de echilibru sunt hidroxiapatita si alumina intr-o proportie similara compozitiei amestecurilor prezentata in tabelul 1.

Hap 900 C

Faza opaca

Faza transparenta