Badania nad przydatnością kompozytów wytworzonych z Ŝywic polisiloksanowych dla chirurgii kostnej. Teresa Gumuła, Stanisław BłaŜewicz

Transkrypt

1 Badania nad przydatnością kompozytów wytworzonych z Ŝywic polisiloksanowych dla chirurgii kostnej Teresa Gumuła, Stanisław BłaŜewicz Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział InŜynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Biomateriałów, Kraków STRESZCZENIE Celem pracy było określenie właściwości mechanicznych i biologicznych trzech typów kompozytów wytworzonych z Ŝywic polisiloksanowych i włókien węglowych, jako potencjalnych materiałów na implanty dla chirurgii kostnej. Jako materiały na osnowę zastosowano trzy rodzaje Ŝywic polimetylofenylosiloxanowych (Lucebni zavody, Kolin, Czechy), róŝniących się stosunkiem Si/C, a elementem wzmacniającym były włókna węglowe T-300 (Torayca). Próbki kompozytowe otrzymywano techniką ciekłej impregnacji włókien węglowych, a następnie poddawano jetermicznemu sieciowaniu. śywice charakteryzowano za pomocą spektroskopii w podczerwieni. Badano właściwości mechaniczne kompozytów (wytrzymałość na trójpunktowe zginanie i moduł Younga) oraz biologiczne - Ŝywotność ludzkich makrofagów linii KMA i ludzkich osteoblastów hfob 1.19 testem MTT. PrzeŜywalność makrofagów w przypadku wszystkich próbek kompozytowych przekraczała 85%. NajwyŜszą przeŝywalność osteoblastów otrzymano w przypadku kompozytów z Ŝywicami L 901 i L 4102 ok. 60 %. Wyniki wykazują, Ŝe kompozyty wykonane z Ŝywic polisiloksanowych są biozgodne. JednakŜe ich przydatność jako potencjalnych materiałów do wytwarzania implantów kostnych wymaga dalszych badań. 1

2 Study on polysiloxane resin-based composites for bone surgery application ABSTRACT The study aimed at determination of mechanical and biological properties of three types of carbon fibers based composites differing in matrix as potential materials for bone surgery. Three types of polymethylphenylsiloxane resins (produced by Lucebni zavody, Kolin, Czech Republic) differing with Si/C ratio were used as matrix. Carbon fibers T-300 (Torayca) were used as the reinforcement. The composite samples were manufactured by liquid impregnation of carbon roving followed by thermal curing. The resins were characterized by means of infrared spectroscopy. The strength and Young s modulus of the composite samples were determined in three-point bending test. The MTT tests were led in the presence of line KMA human macrophages and line hfob 1.19 human osteoblasts. The results presented in this work indicate that mechanical properties of the composites are adequate from viewpoint of bone surgery requirement for load-bearing implants. The viability of macrophages cultures in contact with all examined samples was higher than 85%. The highest viability of human osteoblasts was obtained for composites based on L 901 and L 4102 resins above 60%. The results suggest that the investigated polysiloxane- based composites are biocompatible, however their possible use as implants needs further study. Słowa kluczowe: biomateriały kompozytowe, rekonstrukcja kości, Ŝywice polisiloksanowe, odpowiedź komórkowa Key words: composite biomaterials, reconstruction of bone, polysiloxane resins, cellular interaction WSTĘP Polisiloksany, naleŝące do grupy polimerów syntetycznych, są zbudowane z łańcuchów krzemowo-tlenowych oraz organicznych grup, bezpośrednio związanych z atomem krzemu poprzez wiązanie Si-C. Takie polimery posiadają szereg interesujących właściwości fizykochemicznych, takich jak np. odporność termiczną w szerokim zakresie temperatur, odporność na promieniowanie UV, obojętność chemiczną. Polisiloksany, oprócz zastosowań w technice, 2

3 są materiałami powszechnie stosowanymi do celów biomedycznych. Takie właściwości jak wysoka biozgodność, hemozgodność, właściwości hydrofobowe oraz bakteriostatyczne sprawiają, Ŝe wykorzystuje się je jako składniki klejów, przetoki, protezy dla chirurgii twarzowo-szczękowej, cewniki, biosensory i materiały do kontaktu z krwią [1-4]. Polisiloksany mogłyby znaleźć równieŝ zastosowanie jako implanty przeznaczone do rekonstrukcji tkanki kostnej, gdyby nie ich niskie parametry mechaniczne. Poprawienia właściwości mechanicznych tych polimerów moŝna oczekiwać poprzez wzmocnienie ich biozgodnymi włóknami węglowymi. Polimerowe kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi (CFRP) stanowią nową grupę materiałów do takich zastosowań; włókna węglowe spełniają tutaj funkcję mechaniczną, wynikającą z ich korzystnych parametrów wytrzymałościowych a takŝe biologiczną [5-7]. Z drugiej strony moŝliwe jest równieŝ zaprojektowanie materiału kompozytowego o spręŝystości podobnej do kości, przy zachowaniu wytrzymałości kilkakrotnie wyŝszej od wytrzymałości kości. W porównaniu do materiałów konwencjonalnych stosowanych jako implanty tkanki kostnej (stopów metali), takie kompozyty charakteryzują się korzystną relacją wytrzymałości i spręŝystości w odniesieniu do gęstości, a takŝe są przepuszczalne dla promieniowania rentgenowskiego. Celem pracy było określenie właściwości mechanicznych i biologicznych trzech typów kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi, róŝniących się materiałem osnowy, jako potencjalnych materiałów do rekonstrukcji tkanki kostnej. Osnowę kompozytu stanowiły tanie, dostępne na rynku, Ŝywice polimetylofenylosiloksanowe. Na wstępie określono skład chemiczny oraz strukturę uŝytych do badań polimerów. MATERIAŁ I METODY Do otrzymania kompozytów wykorzystano włókna węglowe T 300 (Torayca) oraz trzy rodzaje Ŝywic polimetylofenylosiloksanowych L 150 X, L 901 i L 4102 produkcji czeskiej (Lucebni Zavody, Kolin, Republika Czeska). Charakterystykę chemiczną Ŝywic przedstawiono w tabelach 1, 2 i 3. Jak wynika z powyŝszych tabel, uŝyte do badania Ŝywice róŝnią się zawartością krzemu i tlenu oraz stosunkami molowymi krzemu do tlenu i krzemu do węgla. RóŜnice strukturalne tych Ŝywic uwidocznione zostały w badaniach za pomocą spektroskopii w podczerwieni (FTIR) metodą absorpcyjną, przy uŝyciu spektrofotometru FTS 60 V Bio Rad. Wyniki tych badań zamieszczone są w dalszej części pracy. 3

4 Kompozyty otrzymywano metodą ciekłej impregnacji w następujący sposób: z włókien węglowych formowano taśmę o szerokości ok. 18 cm, którą następnie przesycano roztworem Ŝywicy polisiloksanowej. Po odparowaniu rozpuszczalnika taśmę cięto, układano w metalowej formie, następnie prasowano i sieciowano. Właściwości mechaniczne kompozytów określono w próbie trójpunktowego zginania (wytrzymałość, moduł Younga) przy uŝyciu maszyny wytrzymałościowej ZWICK Do badań właściwości mechanicznych wykorzystano próbki kompozytowe o jednokierunkowym ułoŝeniu włókien. Właściwości biologiczne opracowanych próbek kompozytowych określano poprzez ocenę przeŝywalności komórek, kontaktujących się z próbkami metodą z zastosowaniem barwnika MTT. Stosowano ludzkie makrofagi linii KMA i ludzkie osteoblasty hfob WYNIKI I DYSKUSJA Widma Ŝywic przedstawia rycina 1. W widmach wszystkich Ŝywic (ryc.1) najintensywniejsze pasma, w zakresie cm -1 oraz cm -1, pochodzą od asymetrycznych i symetrycznych drgań rozciągających grup Si-O-Si. W widmach Ŝywic widoczne są równieŝ pasma związane z obecnością wiązań Si-C 6 H 5, którym odpowiadają pasma 1431 cm -1 i 1137 cm -1 oraz pasma związane z grupami Si-CH 3, którym odpowiadają liczby falowe cm -1 oraz 800 cm -1. Przesunięcia maksimum pików oraz róŝnice w intensywności pików w widmach Ŝywic w zakresach cm -1 i cm -1 oraz cm -1 i 800 cm -1, wskazują na róŝnice w budowie łańcucha Si-O-Si i ilości połączeń Si-CH 3. W widmach wszystkich Ŝywic widoczne są takŝe piki pochodzące od rozciągających drgań grup C=C (1595 cm -1 ), drgań pierścieni aromatycznych -C 6 H 5 ( cm -1 - drgania rozciągające C-H, cm -1 - drgania deformacyjne C-H) oraz drgań grup CH 3 ( cm -1 ). Ponadto, w widmach Ŝywic L 901 i L 4102 występują pasma 2915 cm -1, 2840 cm -1 i 1485 cm -1 związane z drganiami grup =CH 2. Wyniki badań właściwości mechanicznych kompozytów przedstawiają ryciny 2 i 3. Materiały stosowane na implanty kości powinny charakteryzować się wytrzymałością wyŝszą od wytrzymałości kości (kość: wytrzymałość na zginanie MPa) oraz modułem Younga podobnym do kości (max. 20 GPa). Badane kompozyty mają duŝo wyŝszą wytrzymałość na zginanie w porównaniu do naturalnej kości (ryc. 2). Moduł Younga kompozytów jest takŝe znacznie wyŝszy w porównaniu do modułu Younga kości (ryc. 3). Jest 4

5 to niekorzystne z punktu widzenia moŝliwości wykorzystania tego kompozytu do rekonstrukcji kości. ObniŜenie modułu Younga takich kompozytów do wartości modułu Younga kości moŝna realizować, zmieniając orientację włókien z jednokierunkowej (1D) na dwu- lub wielokierunkową. Analiza wyników badań biologicznych wskazuje, Ŝe Ŝywotność komórek w kontakcie z próbkami kompozytowymi róŝni się w zaleŝności od rodzaju Ŝywicy, stanowiącej osnowę kompozytu. JednakŜe naleŝy zauwaŝyć, Ŝe przeŝywalność makrofagów w przypadku wszystkich próbek kompozytowych, w porównaniu do innych materiałów, jest bardzo wysoka i przekracza 85% (ryc. 4). Badania przeŝywalności osteoblastów kontaktujących się z próbkami kompozytowymi, wskazują na znacznie silniejsze zróŝnicowanie występujące między tymi próbkami. NajwyŜszą przeŝywalność osteoblastów uzyskano w przypadku kompozytów z Ŝywicami, mającymi większy udział krzemu w strukturze, mianowicie L 901 i L 4102 (ryc. 5, por. tab. 1 i 2). Nie moŝna jednak tutaj wykluczyć działania innego czynnika róŝniącego odpowiedź komórkową na badane materiały. WNIOSKI 1. Wstępne badania kompozytów wykonanych z Ŝywic polisiloksanowych i włókien węglowych wskazują, Ŝe charakteryzują się one odpowiednimi parametrami mechanicznymi dla zastosowań w rekonstrukcjach kostnych. 2. Badania biologiczne przeprowadzone przy uŝyciu ludzkich makrofagów i osteoblastów wykazały, Ŝe wszystkie próbki kompozytowe charakteryzują się wysoka biozgodnością (por. lit. 8, 9). PrzeŜywalność makrofagów kontaktujących się powierzchnią próbek kompozytowych przekroczyła 85 %. PrzeŜywalność osteoblastów dla dwóch rodzajów kompozytów była powyŝej 60 %, natomiast dla kompozytu wykonanego z Ŝywicy polisiloksanowej zawierającej mniejszy stosunek krzemu do węgla wynosiła 36 %. 3. Uzyskane wyniki badań mechanicznych i biologicznych zachęcają do kontynuowania prac nad kompozytami z osnową z Ŝywic polimetylofenylosiloksanowych, jako materiałami do rekonstrukcji tkanki kostnej. PODZIĘKOWANIA Przedstawione w niniejszej pracy badania zostały sfinansowane przez Komitet Badań Naukowych w ramach grantu PBZ/KBN/13/TO8/99. 5

6 LITERATURA [1] Lai J.H., Wang L.L., Ko C.C., DeLong R.L., Hodges J.S.: New organosilicon maxillofacial prosthetic materials. Dental Materials 18, (2002), [2] Li L., Tu M., Mou S., Zhou C.: Preparation and blood compatibility of polysiloxane/liquid-crystal composite membranes. Biomaterials 22, (2001), [3] Olsson J., Carlen A. Burns N. L., Holmberg K.: Modified pellicle formation and reduced in vitro bacterial adherence after surface treatment with different siloxane polymers. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 5, (1995), [4] Marcus D. M..: An analytical review of silicone immunology. Arthritis and Rheumatism (1996), [5] BłaŜewicz S., Stoch L., Biomateriały, Tom VI edycji Biocybernetyka i InŜynieria Biomedyczna 2000 [6] BłaŜewicz M.: Węgiel jako biomateriał. Prace Komisji Ceramicznej PAN, Ceramika 63, (2001). [7] Chłopek J.. Kompozyty węgiel-węgiel. Otrzymywanie i zastosowanie w medycynie. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Ceramika 52, (1997). [8] Czajkowska B., Kowal J., BłaŜewicz M., Ptak M., Bobek M.: Wpływ fotochemicznej modyfikacji powierzchni polisulfonu na reakcje komórkowe in vitro. InŜynieria Biomateriałów (2003), [9] Pamuła E., BłaŜewicz M., Buczyńska J., Czajkowska B., Dobrzyński P., Bero M.: Bioresorbowalne porowate podłoŝa dla inzynierii tkankowej z kopolimeru glikolidu z L- laktydem: wpływ mikrostruktury na osteoblasty in vitro. InŜynieria Biomateriałów (2003), Adres autorów: Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział InŜynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Biomateriałów al. Mickiewicza 30, Kraków Teresa Gumuła: tgumula@uci.agh.edu.pl Stanisław BłaŜewicz: blazew@uci.agh.edu.pl 6

7 Tabela 1. Udział wagowy krzemu, tlenu, węgla i wodoru w polimerach Table 1. Mass fractions of silicon, oxygen, carbon and hydrogen in polymers Si O C H L 150 X 0,225 0,255 0,470 0,050 L 901 0,302 0,244 0,407 0,047 L ,319 0,212 0,421 0,048 Tabela 2. Udział molowy krzemu, tlenu, węgla i wodoru w polimerach Table 2. Molar fractions of silicon, oxygen, carbon and hydrogen in polymers Si O C H L 150 X 0,071 0,141 0,346 0,442 L 901 0,101 0,143 0,317 0,440 L ,105 0,123 0,326 0,446 Tabela 3. Stosunek molowy krzemu do tlenu, oraz krzemu do węgla w polimerach Table 3. Silicon to oxygen and silicon to carbon ratios in polymers Si/O Si/C L 150 X 0,504 0,205 L 901 0,706 0,319 L ,854 0,322 7

8 L150X Absorbance L901 L Wavenumber (cm-1) a) Absorbance L150X L901 L Wavenumber (cm-1) b) Ryc. 1. Widma FTIR Ŝywic: a) w zakresie cm -1, b) w zakresie cm -1 Fig. 1. FTIR spectra of resins: a) cm -1 range, b) cm -1 range 8

9 Wytrzymałość na zginanie Bending strength [MPa] C / L 150 X C / L 901 C / L 4102 Ryc.2. Wytrzymałość na trójpunktowe zginanie kompozytów Fig. 2. Three-point bending strength of composites 120 Moduł Younga Young's modulus [GPa] C / L 150 X C / L 901 C / L 4102 Ryc.3. Moduł Younga kompozytów Fig.3. Young s modulus of composites 9

10 PrzeŜywalność makrofagów Viability of macrophages [%] C / L 150X C / L 901 C / L 4102 Ryc.4. PrzeŜywalność ludzkich makrofagów linii KMA Fig.4. Viability of line KMA human macrophages PrzeŜywalność osteoblastów Viability of osteoblasts [%] C / L 150X C / L 901 C / L 4102 Ryc. 5. PrzeŜywalność ludzkich osteoblastów linii hfob 1.19 Fig. 5. Viability of line hfob 1.19 human osteoblasts 10

11 11