Katedra Inżynierii Materiałowej

Transkrypt

1 Katedra Inżynierii Materiałowej Instrukcja do ćwiczenia z Biomateriałów pt: Tworzenie biofilmu na biomateriałach metalicznych dr inż. Beata Świeczko-Żurek Gdańsk 2009

2 Wprowadzając implant do organizmu ludzkiego należy pamiętać, że jest to ciało obce i należy liczyć się z różnego rodzaju reakcjami organizmu. Świadomość zagrożeń płynących z wprowadzenia obcego materiału do organizmu przyczyniła się do opracowania zbioru przepisów prawnych, zawartych z normie ISO [1], regulujących sposób postępowania z nowymi materiałami i wykonanymi z nich implantami w celu dopuszczenia ich do zastosowań medycznych. Niestety, nawet bezwzględne przestrzeganie zaleceń zawartych w/w normie nie zabezpiecza biorcy implantu przed komplikacjami [2].Przyczyną tej sytuacji jest bardzo duża różnorodność zachodzących reakcji pomiędzy implantem a tkanką, która ma z nim kontakt. Biomateriał metaliczny w wyniku kontaktu z tkankami i płynami ustrojowymi pokrywa się pasywną warstwą, na której odkładają się białka macierzy pozakomórkowej. Skład i ilość białek macierzy pozakomórkowej odłożonej na powierzchni materiału są efektem reaktywności biologicznej biomateriału, a szczególnie właściwości powierzchni. Białka wpływają na procesy adhezji komórek i bakterii, aktywność biologiczną oraz aktywację reakcji zapalnych [3,4]. Pierwszym zjawiskiem występującym po wprowadzeniu biomateriału do środowiska biologicznego jest wytworzenie biofilmu na jego powierzchni (rys.1 i 2)[3]. Biofilm jest formą agregacji bakterii, grzybów i innych mikroskopijnych organizmów w postaci cienkich osadów tworzących się na różnych powierzchniach, mających kontakt np. z płynami ustrojowymi. Za powstanie biofilmu odpowiada między innymi naturalna flora bakteryjna pacjenta. Aby zapobiec występowaniu tego typu zjawisk należy mieć świadomość, co wpływa na tego typu reakcje, a mogą to być mikroskopijnych rozmiarów pozostałości narzędzi chirurgicznych powstające w wyniku mechanicznego oddziaływania narzędzia z tkanką i z implantem [2]. Bardzo ważne jest to, by powierzchnia materiału była idealnie gładka, zmniejsza to bowiem ryzyko wystąpienia reakcji alergicznych i zapalnych [5].

3 Rys.1 Stadia rozwoju biofilmu [6] Podczas tworzenia biofilmów można wyróżnić następujące etapy [6]: 1. Faza odwracalnej adhezji: Swobodnie pływające bakterie osiadają na podłożu i przyczepiają się do niego, tworząc skupiska. 2. W fazie pośredniej dominuje rozwój lepkiej struktury pozakomórkowej (macierzy), której głównym składnikiem są polisacharydy ściany komórkowej (tzw. EPS: extracellular polymer substances), zawierające mannozę i reszty glikozydowe. Zmiany otoczenia powodują silne związanie się bakterii z powierzchnią. 3. Podczas fazy dojrzewania struktury biofilmu następuje dalszy przyrost substancji pozakomórkowej, aż do całkowitego otoczenia przez nią powstałych kolonii. Na tym etapie w skład biofilmu wchodzą, oprócz mikroorganizmów, martwe komórki, substancje organiczne, wytrącone minerały itp. Do takich struktur przyłączają się kolejne gatunki bakterii. 4. Powstałe gradienty chemiczne umożliwiają współistnienie bakterii różnych gatunków i znajdujących się w rozmaitych stanach metabolicznych. Bakterie przekazują sobie sygnały stymulujące je do rozmnażania się i tworzenia kolonii. 5. Niektóre komórki opuszczają biofilm, by tworzyć nowe skupiska.

4 Rys.2 Topografia ekosystemu na powierzchni biomateriału [3] A co się dzieje w momencie kontaktu implantu metalicznego pokrytego warstwą biofilmu z tkanką kostną? Reakcja nie jest trudna do przewidzenia, niestety w wielu przypadkach jest ona niekorzystna. Obecność biofilmu może doprowadzić do zaniku otaczającej tkanki kostnej i w rezultacie zaburzyć proces osteointegracji. Biofilm spełnia następujące funkcje: - umożliwia mikroorganizmom wytwarzanie ścisłych powiązań metabolicznych; - umożliwia rozwój bakterii beztlenowych w warunkach natlenionych; - utrudnia usuwanie produktów przemiany materii mikroorganizmów do fazy wodnej; - chroni drobnoustroje przed działaniem biocydów (związków o charakterze antybiotyków); Praktycznie nie ma powierzchni, która nie może zostać skolonizowana przez żywe mikroorganizmy. Obecność biofilmu jest wyjątkowo korzystna dla rozwoju mikroorganizmów. Dzięki niemu mogą one łatwo adaptować się do różnych ekstremalnych warunków środowiskowych. Jego obecność zmienia warunki panujące na granicy faz metal elektrolit, powodując zmianę szybkości procesów korozyjnych [5,7]. Reakcje organizmu na wprowadzony biomateriał mogą być dwie: korzystna i niekorzystna. W przypadku korzystnej, organizm w pełni akceptuje ciało obce, jakim jest implant i wchłania go. Sytuacja w przypadku reakcji niekorzystnej jest o wiele bardziej skomplikowana. Przede wszystkim należy dokładnie znać źródło zagrożenia.

5 Zadanie: Zapoznanie się z typowymi rodzajami bakterii zasiedlającymi organizm ludzki oraz ocena ich wpływu na materiały biomedyczne. Cel zadania: Zapoznanie się z różnymi rodzajami bakterii zaobserwowanymi na implantach oraz ocena degradacji tychże materiałów. Wyposażenie stanowiska: - materiały biomedyczne: implanty metalowe z widoczną degradacją, po usunięciu biofilmu - zestawy wybranych próbek w bulionach bakteryjnych - atlas struktur typowych kolonii bakteryjnych występujących w organizmie ludzkim Przebieg ćwiczenia: 1. Analiza etapów powstania biofilmu 2. Rozpoznanie bakterii zasiedlających materiały biomedyczne 3. Określić formy degradacji implantów po usunięciu biofilmu 4. Sporządzenie sprawozdania Literatura [1] ISO Biological evaluation of medical devices. The International Organization for Standardization 1999 [2] Boyan B.D., Hummert T.W., Kieswetter K.: Effects of titanium surface on chondrocytes and osteoblast in vitro. Scan. Electron Microsc. (celles Mat.) 5 (1995)232 [3] Wierzchoń T., Czarnowska E., Krupa D. : Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004 [4] Arciola C.R., Campoccia D., Gamberini S., Donati M.E., Pirini V., Visai L., Speziale P., Montanaro L.: Antibiotic resistance in exopolysaccharide forming Staphylococcus epidermidis clinical isolates from orthopaedic implant infections. Biomaterials 26, 2005, [5] Supernak M.: Korozja na styku metal kość. Praca przejściowa. Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny. Gdańsk 2008 [6] [7] Baszkiewicz J., Kamiński M.: Korozja materiałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006