Ćwiczenie nr 2. Badanie kształtu i wielkości porów oraz połączeń między porami w biomateriałach ceramicznych

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 2 Badanie kształtu i wielkości porów oraz połączeń między porami w biomateriałach ceramicznych Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z obrazami mikroskopowymi biomateriałów porowatych. Opanowanie metodyki pomiaru wielkości porów i połączeń pomiędzy porami Połączenie implantu z tkanką kostną. W przypadku wszczepów bioceramicznych stosowanych jako elementy, które powinny trwale połączyć się z tkanką kostną i stabilnie z nią zintegrować, niezwykle ważna jest trwałość takiego połączenia. Gęsta ceramika inertna łączy się z tkanką w tzw. sposób morfologiczny. Złącze takie powstaje wtedy, gdy kość przyrasta do nierówności powierzchniowych nieporowatej ceramiki, a także poprzez zamocowanie wszczepu cementem do kości lub przez jego ścisłe umieszczenie w loży kostnej. Złącze takie należy do najsłabszych połączeń implantu z kością. Opracowano wiele sposobów modyfikacji kształtu implantów, które miały na celu polepszenie ich stabilności i trwałości zamocowania w kości. Jak dotąd nie osiągnięto jednak w pełni zadowalających wyników. Dla wszczepów porowatych charakterystyczne jest tzw. złącze biologiczne, polegające na przerośnięciu tkanką kostną porów takiego materiału, co powoduje jego mechaniczne zakotwiczenie w kości. Jest to bardzo trwałe połączenie, którego nie sposób zniszczyć bez uszkodzenia wszczepu lub tkanki kostnej. Jeszcze korzystniejsze pod względem siły wiązania jest stosowanie implantów wykonanych z ceramiki bioaktywnej (np. ceramiki hydroksyapatytowej). Jej zdolność do tworzenia chemicznego wiązania z tkanką kostną za pośrednictwem nowo utworzonej warstwy apatytowej, znacznie poprawia stabilność i trwałość zamocowania implantów zarówno gęstych, jak i porowatych (złącze bioaktywne) Porowatość otwarta w biomateriałach ceramicznych Niezwykle ważną cechą biomateriałów porowatych jest wielkość porów otwartych oraz charakter połączeń pomiędzy nimi. Tak jak wartość porowatości całkowitej wpływa znacząco

2 na parametry wytrzymałościowe ceramiki, tak wielkość porów otwartych decyduje o możliwości przerastania biomateriałów tkanką kostną. Czołowy znawca tej problematyki, de Groot, dzieli pory na te świadomie wytworzone w procesie technologicznym w porowatych biomateriałach powyżej 100 µm, które nazywa makroporami oraz pory powstałe pomiędzy spieczonymi ziarnami, zwykle o wielkości od poniżej jednego do około kilku mikrometrów, które określa jako mikropory Rola porów w przerastaniu implantu tkanką kostną. Powszechnie akceptowanym poglądem jest opinia, że wrastanie tkanki kostnej w pory implantów zależy w dużym stopniu od rozmiarów porów. Optymalna architektura porów powinna naśladować system kanałów Haversa, a zatem średnice porów powinny mieścić się w przedziale µm. W ostatnich latach zwraca się uwagę nie tylko na wielkość porów, ale na wielkość połączeń pomiędzy porami. Badania przeprowadzone na królikach, którym wszczepiono implanty hydroksyapatytowe o wielkości porów µm, wykazały wyższy stopień przerośnięcia implantów tkanką niż takie same implanty o większej średnicy porów ( µm). Okazało się bowiem, że połączenia pomiędzy porami w implantach o mniejszych porach mają większe średnice. Aktualnie przyjmuje się, że optymalne przerastanie tkanką wykazują materiały o rozmiarach porów µm i rozmiarze połączeń pomiędzy nimi powyżej 50 µm. Dla przykładu na rys. 1 pokazano obraz mikroskopowy porowatego tworzywa hydroksyapatytowego o budowie piany o porowatości 90%. Wyróżnić tu można duże sferyczne pory (makropory) o średnicy µm. Makropory połączone są okienkami o rozmiarach w zakresie µm. Obecność połączeń pomiędzy makroporami decyduje o możliwości przerastania tkanką porowatego implantu. Rys. 1. Obraz mikroskopowy porowatego hydroksyapatytu o budowie pianki (porowatość 90%)

3 1.4. Metody formowania ceramiki porowatej Metoda usuwanych dodatków: Polega na mieszaniu przed wypaleniem ceramicznego materiału ziarnistego i spoiwa z substancją porotwórczą, a następnie uformowaną kształtkę poddaje się wypaleniu w określonej temperaturze. Substancja porotwórcza w wysokiej temperaturze ulega wypaleniu a w jej miejscu powstają puste przestrzenie, czyli pory. Jeżeli objętość porów V p < 0,678, to powstają pory izolowane nie łączące się ze sobą. Jeśli V p > 0,678 to faza ciągła musi ulec przerwaniu i powstaje materiał o porowatości otwartej. Substancjami porotwórczymi są najczęściej trociny, mielony korek, miał węglowy. Obecnie coraz częściej jako substancje porotwórcze używane są specjalne proszki i granulaty o ściśle określonej wielkości i kształcie, wytwarzane z różnych związków organicznych, na przykład styropianu, polimetakrylanu metylu lub wosków syntetycznych. Metoda spiekanych ziaren: Metoda polega na łączeniu na ogół przez spiekanie proszków o ściśle określonym rozmiarze ziaren. Spiekanie frakcjonowanych ziaren odbywa się z dodatkiem spoiwa lub rzadziej bez dodatku spoiwa. W zależności od składu ziarnowego, metody zagęszczania i warunków spiekania, można otrzymać materiały porowate o różnej porowatości i wielkości porów. Metodą tą otrzymuje się materiały porowate o porowatości zazwyczaj nie przekraczającej 40%. Metoda odwzorowania porowatej matrycy: Polega na skopiowaniu materiałem ceramicznym budowy innych materiałów porowatych. Najczęściej stosuje się odwzorowanie porowatych matryc organicznych. Masy ceramiczne osadza się na uprzednio przygotowanej matrycy, którą stanowi na przykład gąbka poliuretanowa, a następnie wypala. W procesie wypalania gąbka ulega rozkładowi termicznemu, a ceramiczny szkielet powstały w obszarach odpowiadających ścianom gąbki spieka się. Metoda ta nadaje się szczególnie do otrzymywania materiałów o dużej porowatości (nawet powyżej 95%) i znacznych rozmiarach porów. Jej zaletą jest możliwość kontroli wielkości porów poprzez użycie odpowiednich rodzajów matryc. Metoda spieniania chemicznego: Polega na wprowadzeniu do gęstwy ceramicznej dodatków, które w czasie formowania lub obróbki termicznej wywołują reakcję z wydzielaniem produktów gazowych spęczniających masę, np.: CaCO 3 CaO + CO 2

4 MgCO 3 MgO + CO 2 Mogą to być reakcje utleniania, rozkładu, a także reakcje pomiędzy związkami organicznymi wprowadzonymi jako dodatki porotwórcze do gęstw. Podstawową wadą powyższego sposobu formowania jest nie zawsze zadowalająca powtarzalność parametrów otrzymanego materiału. Metoda żelowania spienionej zawiesiny (ang. gelcasting of foams) Jedną z nowszych metod wytwarzania ceramiki porowatej jest żelowanie spienionej zawiesiny (ang. gelcasting of foams). Metoda ta pozwala na wytwarzanie ceramiki o porowatości całkowitej w zakresie 60-95% charakteryzującej się występowaniem sferycznych porów (pęcherzyków piany) o średnicy µm połączonych ze sobą okienkami o średnicy µm. Obecność okienek na ściankach pęcherzyków piany sprawia, że tworzywo jest przepuszczalne dla cieczy i gazów. W metodzie gelcasting of foams masa lejna oprócz podstawowych składników, którymi są proszek ceramiczny woda i upłynniacz, zawiera środki spieniające i środki żelujące. Środki spieniające obniżają napięcie powierzchniowe na granicy faz gaz/zawiesina, co podczas wprowadzania gazu sposobem mechanicznego mieszania umożliwia wytworzenie piany. Środki żelujące utrwalają pianę poprzez wytworzenia hydrożelu w spienionej zawiesinie. Kolejne etapy technologiczne to suszenie, kalcynacja i spiekanie. 2. Wykonanie ćwiczenia: Na podstawie dostarczonych mikrofotografii porowatej bioceramiki opisać kształt porów i połączeń pomiędzy porami. Zmierzyć wielkość porów i połączeń pomiędzy porami. 3. Zagadnienia do opracowania: - Sposoby połączenia implantów z tkanką kostną, - Rola porów w przerastaniu, - Wymagania odnoście porowatości otwartej w biomateriałach ceramicznych, - Metody otrzymywania ceramiki porowatej. 4. Sprawozdanie Sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia powinno zawierać:

5 nazwiska wykonawców, datę i tytuł przeprowadzonego ćwiczenia; nazwę badanych materiałów, opracowanie wyników (np. wyznaczone wielkości przedstawione w formie tabeli danych); analiza i omówienie wyników. 5. Literatura uzupełniająca: 5.1. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, Tom 4 Biomateriały pod redakcją Macieja Nałęcza. Redaktorzy tomu: S. Błażewicz, L. Stoch. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT. Str i Zbigniew Jaegermann, Anna Ślósarczyk, Gęsta i porowata bioceramika korundowa w zastosowaniach medycznych. AGH Uczelnianie Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2007.