MICRO SI NANOTEHNOLOGII - BIOMATERIALE

SPRCIALIZAREA : MASTERAT

MICRO SI NANOTEHNOLOGII

BIOMATERIALE

Definitie

Prin notiunea de biomaterial se intelege orice entitate materiala care poate fi utilizata in contact, endogen sau exogen, cu tesut animal viu, in scop de regenerare, inlocuire, terapeutic, de diagnostic sau monitorizare a acestuia.

Biomaterialul trebuie sa fie:

biocompatibil

nontrombogenic (daca intra in contact cu sangele);

prelucrabil;

sterilizabil.

Generalitati

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.

Se poate face distinctia intre cercetarea medicala aplicata sau clinica, in care medicii practicanti din spitale sunt puternic implicati (dezvoltarea si punerea in practica a protezelor, organelor artificiale, etc.), si studii fundamentale a biocompatibilitatii materialelor, care sunt rezultatul unor echipe mult mai specializate si mai putin numeroase.

Proprietati fizico-chimice ale biomaterialelor

Conceptie microstructurala a compozitelor, a caror proprietati sunt compatibile cu cele ale fortelor biochimice , din mediul natural de implantare, le face extreme de utile in utilizarea lor ca biomateriale.

Adaptare moleculara a compozitiei si suprafetelor materialelor, pentru a raspunde fortelor biochimice si biomecanice, reactiilor celulare sau ale tesuturilor la contact sunt principalele probleme de studiu pentru compatibilitatea proprietatilor fizico -chimice ale biomaterialelor cu mediul in care se realizeaza implantarea .

Studiile materialelor pentru acoperiri "multifunctie"se realizeaza in domeniul urmatoarelor caracteristici mecanice, chimice :

adeziune

duritate;

frecare;

conductivitate termica;

conductivitate electrica;

reactivitate chimica;

grad de inmuiere.

In scopul realizarilor unor asemenea caracteristici se aplica diverse tratamente de suprafata ale acestora si anume :

grefare

aplicari de filme subtiri;

realizarea unor gradienti de functionalitate compatibili diverselor tipuri de biocompatibitati;

realizarea de multistraturi;

realizarea calitatilor de "imbatranire" a materialelor.

Utilizarea tehnicilor avansate din domeniul mecanicii contactelor si tehnicii informatiei IT si anume :

tribologie

nanotribologie;

contacte materie dura/materie moale;

conditii de realizare de legatura sau de glisare modelare.

Proprietati mecanice ale filmelor subtiri si multistrat folosite in cazul biomaterialelor se refera la analiza urmatoarelor caracteristici :

adeziune

transfer de forte;

relaxare plastica si elastica;

tribologie;

membrane;

modelare;

imbatranire.

Rupturi ale solidelor si a materiei moi pot sa apara mai ales la mediile eterogene, la diverse tipuri de sticle si in primul rand la nivelul interfetelor.

Clasificarea biomaterialelor

Clasificarea biomaterialelor se poate face dupa mai multe criterii.

1.In functie de natura tesutului la a carui refacere contribuie:

pentru tesuturi tari: oase, dinti, cartilagii.

pentru tesuturi moi: piele artificiala, vase de sange, ficat, ochi, inima, ligamente.

2. Dupa forma de prezentare a biomaterialului

fluide injectabile;

capsule;

filme poroase;

filme fibroase;

placi compacte;

tuburi;

fire-fibre;

geluri.

micro si nanoparticule.

3. Dupa natura chimica a materialului:

biomateriale polimerice;

biomateriale metalice;

biomateriale ceramice;

biomateriale compozite.

4. Dupa comportarea in mediu biologic

resorbabile;

partial resorbabile;

neresorbabile.

Tehnologia generala de prelucrare a biomaterialelor

Tehnologia de prelucrare a biomaterialelor are la baza principii:

1) Cea mai mare parte a biomaterialelor necesita a fi aduse in contact cu alte substante. Indiferent de proportia lor fata de biomaterial, ele sunt considerate ca materiale auxiliare .

2) Atunci cand contactul dintre biomaterial si auxiliari are loc in masa, actul in sine se interpreteaza ca operatie de amestecare (biomaterialul fiind sub forma de pulbere, granule, fibre, fie compozite sau poroase). Rezultatul amestecarii se va numi amestec de prelucrare.

3) Aducerea volumului de amestec de prelucrare intr-o anumita forma se numeste profilare si este posibila prin mai multe metode si procedee ce depind de proprietatile intrinseci ale amestecului. Profilarea poate interveni in mai multe pozitii ale fluxului tehnologic: drept componenta la etapa de finisare a semifabricatului, in cadrul fazei de asamblare sau chiar si la consolidare.

4) Stabilizarea formei amestecului profilat cu ajutorul unor procese ce determina tranzitia de stare fizica si organizarea noii faze se va numi formare. La majoritatea tehnologiilor de obtinere a produselor medicale, formarea are loc dupa profilare. Exista insa si situatii cand procesele specifice celor doua etape tehnologice au loc intr-o singura faza de procesare si se va denumi profilare-formare.

5) Ansamblul de operatii ce urmaresc modificarea geometriei sau a structurii morfologice in masa sau de la suprafata semifabricatului, se vor denumi operatii de finisare.

6) Aducerea in contact a semifabricatului sau a subansamblului cu un alt material auxiliar, care poate fi un alt amestec, semifabricat sau subansamblu, se constituie ca operatie denumita asamblare si urmareste modificarea compozitiei chimice si a structurii morfologice a sistemului supus prelucrarii. Rezultatul operatiei il constituie asa-numitul ansamblu.

7) Operatiile prin care se asigura imobilizarea componentilor ansamblului, unele in raport cu altele, poarta numele de consolidare.

Studii fundamentale ale biocompatibilitatii materialelor

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.

Aceste studii fundamentale au repercursiuni practice asupra tehnicilor si protocoalelor de evaluare pentru care studiile stiintifice au tratat alegerea locurilor de implantare, a geometriei implanturilor si starea lor de suprafata, posibilitatea de extrapolare a modelelor animale sau celulare.

Domeniile chirurgiei cardiovasculare si al chirurgiei ortopedice constituie, fara indoiala, prin importanta lor, doua exemple de studiat in mod particular. Domeniul cardiovascular este marcat in mod esential de problema de hemocompatibilitate, adica de compatibilitatea materialului cu acest tesut viu particular care este sangele.

Hemocompatibilitatea consta, in principiu, in problema coagularii sangelui in prezenta corpurilor straine si riscurilor de tromboza legate de aceasta coagulare, problema care se studia, dar, din pacate, nu inca trata de o maniera satisfacatoare. In realitate, studiul hemocompatibilitatii este complex si nu se limiteaza la cel al coagularii. El include, in egala masura, acela al raspunsului sistemului imunitara (anticorpi ) si cel al reactiei celulelor si tesuturilor, in mod special al limfocitelor si leucocitelor prezente in sange.

Influenta biomaterialelor metalice asupra mediului biologic

Biomaterialele metalice au influente diferite asupra organismului uman, distingandu-se diferite forme de reactii biologice, in functie de:

- concentratia de metal:

la concentratii foarte mici, unele elemente ca cobalt, cupru, fier, mangan, zinc, chiar si nichel sunt esentiale in metabolism

la concentratii mari sau excesive aceleasi elemente pot duce la reactii toxice; foarte cunoscute sunt cele induse de arsenic, cobalt, nichel, plumb si multe altele.

- timpul de expunere

reactiile biologice sunt de regula nesemnificative la contactul cu majoritatea metalelor, atunci cand timpul de expunere este redus, (sub 30 zile);

cu cat este mai mare timpul de expunere, cu atat creste riscul unor reactii biologice nedorite.

- calea de administrare:

caile de intrare in organismul uman a metalelor si ionilor metalici sunt variate:

cale cutanata (contact cu pielea),

cale respiratorie,

cale digestiva,

prin intermediul implantelor si protezelor executate din biomateriale metalice.

Acestea reprezinta o sursa in crestere de metale si ioni de metale in corpul uman.

Influenta biomaterialelor metalice

asupra supravietuirii celulare

Pulberile de metale pure: platina, staniu, indiu, aur sau paladiu au o comportare excelenta in mediul biologic chiar si chiar si la concentratii inalte ( 400 μg/ml) si dau o rata de supravietuire celulara inalta: 99-70%. Cromul, cuprul si argintul au un efect citotoxic moderat cu o rata de 60-30%; in timp ce cobaltul, nichelul si zincul induc rapid moartea celulelor asa cum e sugerat si de CL50 mica. Rata de supravietuire la concentratii uzuale (mai mari) nu a putut fi obtinuta deoarece moartea tuturor celulelor a avut loc la concentratii cu mult mai mici.

Aliajele pretioase si semipretioase, bazate pe Pd, Ti si cu otel inoxidabil; au si ele comportari biologice bune, cu o rata a supravietuirii celulare de 98-70% la concentratii mari. Cercetarile efectuate asupra a doua aliaje cu continut mare de argint subliniaza efectul citotoxic al argintului pur. Aliajele cu Ni si Cr (14%, respectiv 23%) induc un efect marcant citotoxic, iar amalgamul dentar produce moartea tuturor celulelor la concentratii foarte mici. Compusul Al₂O₃ a fost adaugat acestor teste pentru a sublinia excelenta sa citocompatibilitate.

Influenta biomaterialelor

metalice asupra raspunsului inflamator

Celulele gigante multinucleare (abreviate "CGM") apar normal in culturi de macrofage prin fuziunea mai multor celule. Liniile celulare din culturi au, in general, un procent scazut de celule binucleare sau multinucleare. CGM pot apare si in vivo la persoanele cu tatuaje cu amalgam sau cu implante ortopedice. Ele sunt prezente constant in granuloamele din vecinatatea implantelor si prezenta lor e considerata a fi un raspuns inflamator specific.

Testele pentru reactia inflamatorie constau in aprecierea numarului de CGM in culturile monostrat cu celule L132. Aceste teste arata modificarile morfologice ale celulelor, prin aparitia de CGM, care sunt corelate cu modificarile functionale, ale fiziologiei normale a celulei.

Testul cu CGM a aratat citocompatibilitatea aproape perfecta a pulberilor de paladiu, aur si titan si a aliajelor lor, deoarece numarul de CGM a fost identic cu cel al culturilor de control. Culturile expuse la metale pure ca: nichelul, cobaltul, argintul sau la aliajele bogate in nichel sau la amalgamul dentar au produs un numar de 8 pana la 10 ori mai multe CGM comparativ cu culturile de control. Efectul pro-inflamator al argintului a fost confirmat de aliajul Ag₃₂Pd₅₇. Otelul inoxidabil nu a avut influenta majora pe supravietuirea celulara si a avut o potenta inflamatorie comparabila cu cea a cromului.

Analiza tribologica si mecanica a unor materiale biocompatibile (aliaje Co-Cr-Ti in contact cu polietilena de inalta densitate), precum si testarea unor depuneri dure de TiN (nitrura de titan) pe aliaj biocompatibil Ti-6Al-4V a demonstrate existenta unor coeficientii de frecare foarte redusi obtinuti pe aceste depuneri (0,003). Aceste cercetari ar putea imbunatati considerabil performantele protezei totale de sold, cu corpuri de rostogolire realizata si brevetata de cercetatorii IMS.

In cazul biomaterialelor pentru chirurgia ortopedica, se gasesc trei mari domenii de cercetare complementare care sunt:

1. Studii la interfata os/biomaterial, fie in vitro (biocompatibilitate la interfata osteoblaste/material, studiul modificarilor de stare de suprafata a materialului, biointegrarea si fiziopatologia celulelor osoase in material), fie in vivo (studiul aderarii biomaterialului la os, caracteristicile vascoelastice ale tesutului in contact cu materialul, ale membranei fibroase care se creeaza in jurul biomaterialelor, etc);

2. Biomecanica celulara, in special studiul reactiilor celulelor endoteliale la forte de forfecare si reactiile celulelor osoase la forte controlate hidrodinamic sau de forfecare, modelarea reactiilor tinand cont de deformarea citoscheletului sau studiul biologiei inflamatiei in prezenta biomaterialelor;

3. Dezvoltarea de materiale noi: polimeri functionali ce poseda grupuri susceptibile de a interactiona cu osteoblastele si/sau fibroblastele, acoperiri biofunctionale pentru materiale inerte asa cum sunt cele ceramice sau metalice.

Aplicatii ale cercetarilor medicilor practicanti

din spitale.

Exemple de dispozitive artificiale destinate concepute inlocuirii unui organ sau unei articulatii .

Inlocuirea soldului.

Inlocuirea genunchiului.

Exemple de aparate concepute sa mentina sau sa sustina o parte:

- a corpului uman;

- a unui membru.

Sustinerea genunchiului.

Exemplul unui cartilaj sintetic.