2.2.P.01: Inżynieria powierzchni biomateriałów oraz materiałów stosowanych w inżynierii stomatologicznej. T. Tański, K. Gołombek Politechnika Śląska

Transkrypt

1 2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November Panel nt. Produkt oraz materiał z jakiego dany produkt został wykonany zdeterminowany przez oczekiwane własności funkcjonalno-użytkowe wynikające z potrzeb klienta 2.2.P.01: Inżynieria powierzchni biomateriałów oraz materiałów stosowanych w inżynierii T. Tański, K. Gołombek Politechnika Śląska Cel pracy Analiza istniejącej sytuacji w zakresie inżynierii biomateriałów w tym powierzchni biomateriałów oraz uwarunkowań społeczno-gospodarczych w odniesieniu do analizowanego obszaru tematycznego.

2 Inżynieria biomateriałów jest interdyscyplinarną dziedziną wiedzy dotyczącą szeroko pojętych problemów zdrowia i życia człowieka, zajmującą się wytwarzaniem (syntezą, strukturą, właściwościami) materiałów dla medycyny. Biochemia Biomechanika Genetyka Medycyna Inżynieria Biomedyczna Inżynieria komórki Cybernetyka Informatyka Mikrobiologia

3 Biomateriał Jako biomateriał możemy zdefiniować substancję sztuczną, zarówno syntetyczną, jak i pochodzenia naturalnego, mającą za zadanie uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, narządów lub części i pełnienie ich funkcji, w celu poprawy komfortu życia czy też jego przedłużenia. Ewolucja biomateriałów: Pierwsza generacja: od 1950 r. Cel: Bioobojętność; Druga generacja: od 1980 r. Cel: Bioaktywność; Trzecia generacja: od 2000 r. Cel: Bioaktywność i regeneracja tkanek

4 Grupy biomateriałów: Metale i ich stopy (stale austenityczne, stopy na osnowie kobaltu, i tytanu, stopy z pamięcią kształtu), Bioceramika (resorbowalna w organizmie, z kontrolowaną reaktywnością, obojętna), Polimery syntetyczne (biostabilne, biodegradowalne); polimery naturalne (proteiny, polisacharydy), Kompozyty, Materiały węglowe. Rola powierzchni w inżynierii biomedycznej Topografia/tekstura powierzchni, Skład chemiczny, Niejednorodność w płaszczyźnie równoległej do powierzchni, Niejednorodność w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni, Krystaliczność, Zwilżalność, Energia powierzchniowa.

5 Metody stosowane do charakterystyki powierzchni biomateriałów Metoda Cel badania Głębokość analizowanej powierzchni Rozmiar powierzchni badanej Czułość metody Kąt zwilżania Zwilżalność, energia powierzchniowa, składowe energetyczne 3-20 Å 1 mm Zależy od składu chemicznego Profilometria kontaktowa Topografia powierzchni, profile dwuwymiarowe 1-5 mm mm Średnia Spektrometria elektronów dla celów analizy chemicznej-xps (ESCA) Energia i rodzaje wiązań, grupy funkcyjne Å mm Wysoka Spektometria mas jonów wtórnych-sims Analiza cząsteczkowa, elementarna pierwszej warstwy badanej struktury, analiza jonów złożonych z grupy atomów oraz rejestracja izotopów pierwiastków 10 Å-1mm 100 Å B.wysoka Metoda całkowitego wewnętrznego odbicia przy użyciu spektroskopu podczerwieni-ftir-at Rodzaje wiązań, grupy funkcyjne 1-5 mm 10 mm Wysoka Skaningowa spektroskopia tunelowa-stm Lokalna gęstość stanów elektronowych, struktury atomowe, profile powierzchni skanowanej, topografia 3D 5 Å 1 Å B.wysoka Skaningowa mikroskopia elektronowa-sem Mikrostruktura powierzchni 5 Å max 40 5 Å Wysoka Zjawiska zachodzące ce na granicy faz: komórka rka-materiał Zwilżanie wodą, Adsorpcja białka, Adhezja komórki.

6 Modyfikacja powierzchni biomateriałów Metody: Biologiczne, Chemiczne, Fizykochemiczne, Mechaniczne. Techniki pokrywania biomateriałów Metody biologiczne: immobilizacja biomolekuł na powierzchni, Metody immobilizacji, Reakcje chemicznie, Szczepienie, Osadzanie plazmowe, Osadzanie warstw metodą LB (Langmuira-Blodgetta), Monowarstwy samoorganizujące się, Wzornikowanie, Obróbki jarzeniowe, Technologia galwaniczna.

7 Techniki pokrywania biomateriałów Technologia PLD, Metoda implantacji jonów, Procesy natryskiwania cieplnego, Metoda zol-żel, Metody infiltracja, Metody konsolidacji, Osadzanie elektroforetyczne, Osadzanie sedymentacyjne, Procesy nanoszenia powłok z fazy gazowej (PVD, CVD). Techniki pokrywania biomateriałów Metody fizykochemiczne kształtowania biologicznych własności powierzchni biomateriałów tytanowych, Metody fizyczne kształtowania biologicznych własności powierzchni biomateriałów, Metody mechaniczne kształtowania biologicznych własności powierzchni biomateriałów, Trawienia elektrochemiczne, Metoda utleniania anodowego, Powstawanie warstwy tlenkowej w tytanie i jego stopach, Technik multipleksowe zwane również hybrydowymi.

8 Dental Materials, Elsevier Drug Delivery Systems & Sciences, Euromed Scientific Drug Delivery Technology Drug Targeting and Delivery, Academic Press European Cells and Materials, electronic - Frontiers of Medical and Biological Engineering, VSP Publishers IEEE Transactions on Biomedical Engineering International Journal of Artificial Organs, Wichtig Editore Journal of Controlled Release, Elsevier Journal of applied biomaterials and biomechanics, Wichtig Editore Srl, 2008 Journal of Bioactive and Compatible Polymers, Technomics Journal of Biomaterials Applications, Technomics Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition, VSP International Science Publishers Journal of Biomechanics, Elsevier Journal of Biomedical Materials Research: Applied Biomaterials, Wiley Journal of Controlled Release, Elsevier Journal of Dentistry, Elsevier Journal of Drug Targeting, Harwood Academic Publishers Journal of Engineering in Medicine, Institution of Mechanical Engineers Journal of Long Term Effects of Medical Implants, CRC Press Journal of Regenerative Medicine Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Elsevier Materials in Medicine, Chapman and Hall - Official Publication of the European Society for Biomaterials Medical Device and Diagnostics Industry, Canon Publications Medical Device Research Report, AAMI Medical Device Technology, Astor Publishing Corporation Medical Plastics and Biomaterials, Canon Communications, Inc. Nanobiology, Carfax Publishing Co. Nanobioscience Nanobiotechnology Nanotechnology, An Institute of Physics Journal Progress in Natural Science, Elsevier Regenerative Medicine Tissue Engineering, Mary Ann Liebert, Inc. Trends in Biomaterials & Artificial Organs, Society For Biomaterials And Artificial Organs India Acta Biomaterialia, Elsevier Advanced Drug Delivery Reviews, Elsevier American Journal of Drug Delivery, Adis International American Society of Artificial Internal Organs Transactions Annals of Biomedical Engineering, Blackwell - Official Publication of the Biomedical Engineering Society Annual reviews of Biomedical Engineering Artificial Organs, Raven Press Artificial Organs Today, VSP Publishers Biofouling, Harwood Academic Publishers Biomacromolecules, American Chemical Society Biomaterial-Living System Interactions, BioMir, Sevastianov, ed Biomaterials -including Clinical Materials, Elsevier Biomaterials Forum, Society For Biomaterials Biomaterials, Artificial Cells and Artificial Organs, Ed., T.M.S. Chang Biomaterials: Processing, Testing and Manufacturing Technology, Butterworth Biomedical Engineering OnLine, electronic - Biomedical Engineering-Applications Basis Communications, World Scientific Publ Co Pte Ltd Biomedical Materials, Elsevier Bio-medical Materials and Engineering, Pergamon Press Biomedical Microdevices, Kluwer Biomedical Papers-Olomouc, Palacky Univ, Medical Fac, Central Library Biomedical Research-India, Scientific Publishers India Biomedical Research-Tokyo, Biomedical Research Press Ltd Biomedizinische Technik, Walter De Gruyter & Co Biometals, Springer Biophysics, Bioengineering and Medical Instrumentation, Elsevier/Embase Biopolymers And Cell, Natl Academy Sciences Ukraine, Inst Itute Molecular Biology & Genetics Biopolymers, John Wiley & Sons Inc Bioprocess And Biosystems Engineering, Springer Biosensors and Bioelectronics, Elsevier Dane statystyczne Projekty badawcze rozwojowe zgłoszone do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach dotyczące ce biomateriałów 9% 17% 35% 39% Materiały polimerowe Materiały ceramiczne Materiały metalowe Materiały kompozytowe

9 Dane statystyczne Projekty własne, w promotorskie orz habilitacyjne zgłoszone w konkursie do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, dotyczących cych inżynierskich materiałów w biomedycznych 27% 25% 29% 19% Materiały polimerowe Materiały ceramiczne Materiały metalowe Materiały kompozytowe Dane statystyczne Projekty własne, w promotorskie orz habilitacyjne zgłoszone w konkursie do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, dotyczących cych inżynierskich materiałów w biomedycznych Liczba projektów Konkurs Liczba zgłoszonych projektów Liczba projektów rekomendowanych

10 Udział firm medycznych w rynku Polskim inne; 14% Boston 19% MDS; 19% Medtronic; 19% J&J; 19% Główne trendy i kierunki rozwojowe Źródłem sukcesu gospodarki i kluczem do przyszłości jest rozwój i zapewnianie nowej wiedzy będącej przyczynkiem nowatorskich pomysłów, które w przypadku realizacji dadzą powiększoną wartość efektów gospodarowania

11 Prognozowany rozwój j inżynierii biomedycznej na świecie Przeszłość Usuwanie tkanek Zastępowanie tkanek Transplantacja Implantacja Teraźniejszość Autografy Heterografy Homografy Mocowanie biologiczne Mocowanie bioaktywne Mocowanie cementem Genetycznie dopasowane ksenografy Przyszłość Inżynieria tkankowa Regeneracja tkanek Regeneracyjne materiały bioaktywne Inżynieria genetyczna Ogólne rozwój biomateriałów założenia w rozwoju ujęciu empirycznym biomateriałów jest na zastępowany precyzyjnym modelowaniem Ogólne założenia inżynieryjnym, Późne lata 90 nowa generacja biomateriałów Stan obecny rozpatrywanie biozgodności na poziomie komórkowym i duży wzrost nakładów i środków na badania biomateriałów R&D adsorpcja białek funding molekularnym, (Research and Development funding), biospecyficzne biomateriały rozwijanie nowych biomateriałów od podstaw, biomateriały niebrudzące się intensyfikacja biomimetyka badań biomateriałów naśladowanie w ujęciu fizjologicznym, rozwiązań medycyna dostarczanych regeneracyjna zintensyfikowanie stosowania kontroli jakości, wprowadzenie i nanobiotechnologia poszerzanie przez norm naturę ISO, GLP, GMP, (pajęczyna, zęby ryb koralowych biomimetyka itd.) dostępność udoskonalonych technologii wytwarzania i urządzeń, powstanie nanotechnologia, i rozwój inżynierii tkankowej. materiały nanostrukturalne, nanomateriały stosowane w genetyce, w na świecie Perspektywy nowego millenium Najważniejsze osiągnięcia dotyczące zastosowania biomateriałów rozwój sztuczne biomateriałów w organy ujęciu empirycznym hybrydowe jest zastępowany biomateriały stopy kobaltu, syntetyczne chromu i tytanu stosowane w w ortopedii i precyzyjnym modelowaniem inżynieryjnym, artroplastyce, rozpatrywanie kombinacji biozgodności z na komórkami poziomie komórkowym i regenerowaną i stal nierdzewna tkanką do zastosowań medycznych, molekularnym, materiały biodegradowalne stosowane na szpilki nici itp., naturalną, biomimetyka naśladowanie rozwiązań dostarczanych przez naturę włókna dakronowe stosowane w przeszczepach naczyniowych, (pajęczyna, materiały zęby ryb koralowych inteligentne, itd.) materiały z pamięcią polimery UHMWPE kształtu (ultra high molecular weight polyethylene) nanotechnologia, materiały nanostrukturalne, nanomateriały stosowane na elementy protez stawów biodrowych i kolanowych, stosowane (zmiana w genetyce, kształtu w zależności od sygnału elastomery otrzymywanego silikonowe, sztuczne organy hybrydowe biomateriały syntetyczne w kombinacji poliuretany twarde na bazie polieterów. z komórkami od otoczenia), i regenerowaną tkanką naturalną, materiały inteligentne, materiały z pamięcią kształtu (zmiana kształtu interdyscyplinarna w zależności od sygnału otrzymywanego praca od otoczenia), zespołowa bez granic interdyscyplinarna praca zespołowa bez granic pomiędzy pomiędzy różnorodnymi zespołami naukowców. różnorodnymi zespołami naukowców.

12 Rozwój j biomateriałów w w Polsce Obszarach najbardziej priorytetowych z Priorytety punktu widzenia Narodowego inżynierii Programu biomedycznej tj.: choroby cywilizacyjne, Foresight Polska schorzenia 2020 związane ze starzeniem, nowotwory, zmiany zwyrodnieniowe układu krążenia oraz Dążenie do wytworzenia funkcjonalnych materiałów nadciśnienie tętnicze. cych dla inżynierii biomedycznej, gwarantujących całkowite bezpieczeństwo pacjenta. Prognozowane korzyści wyraźnego zaistnienia Polski na rynku materiałów w biomedycznych : Stymulowanie regionalnego rozwoju w oparciu o inżynierię biomateriałów, Atrakcyjne warunki pracy dla młodej kadry badawczej, Zapobieganie odpływowi potencjału naukowego za granicę, Promowanie przedsiębiorczości i kreatywności wśród pracowników naukowych, Nabór wysokiej klasy kadry naukowej, Szkolenie specjalistów w dziedzinach nowych technologii, Nowe zespoły badawcze i ich integracja.

13 Cykl życia technologii Ranking technologii według parametrów w atrakcyjność i potencjał

14 SWOT Zagrożenia Szczepienie (np. promieniami UV) Mocne strony Szanse Zagrożenia Osadzanie sedymentacyjne (materiały gradientowe) Strategia konserwatywna agresywna defensywna konkurencyjna MAXI-MINI MAXI-MAXI MINI-MINI MINI-MAXI Mocne strony Szanse Słabe strony Słabe strony Dziękuje za uwagę