Bioceramika

Bioceramika Biomateriały - wszelkie substancje obojętne chemicznie i farmakologicznie, nieaktywne w stosunku do żywych tkanek, przeznaczone na wszczepy lub stanowiące materiał do budowy urządzeń spełniających czasowo lub na stałe funkcje uszkodzonych narządów (IV Międzynarodowe Sympozjum Biomateriałów, 1974). Biomateriały - substancje, inne niż lek albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek narządu albo jego części lub spełnianie ich funkcji (Biomaterials Consensus Conference, 1982). Biozgodność - cecha substancji lub materiału warunkująca jego prawidłowe działanie w żywym organizmie. Materiał o dużej biozgodności powinien charakteryzować się brakiem toksyczności, brakiem wpływu na układ immunologiczny organizmu oraz niewywoływaniem hemolizy. Biomateriały I generacji od 1950 materiały bioobojętne; II generacji od 1980 materiały bioaktywne; III generacji od 2000 materiały odtwarzające funkcje tkanek; biomateriał idealny materiał zachowujący się jak tkanka; Podział biomateriałów wszczepy (implanty) biostatyczne, bioestetyczne i biomechaniczne, materiały do zespalania tkanek (nici chirurgiczne, kleje do tkanek, cementy kostne), wszczepy (implanty) przeznaczone do kontaktu z krążącą krwią, sztuczne narządy i ich części, błony półprzepuszczalne i inne części aparatury krążenia pozaustrojowego, preparaty farmaceutyczne (nośniki leków), inne, m. in. kontaktowe soczewki oczne. 1

Wymagania trwałość fizyczna, czystość chemiczna, określony skład fazowy, odpowiednio wysokie parametry mechaniczne związane z biomechaniką w tym wysoka odporność na zużycie, odpowiednia porowatość, stabilność chemiczna w środowisku żywych tkanek, termostabilność niezmienność w czasie sterylizacji, biozgodność i stabilność biologiczna przez długi okres czasu, brak cytotoksyczności, brak alergenności, braki działania drażniącego i uszkadzającego sąsiadujące tkanki, brak działania rakotwórczego, hemozgodność, dobra adaptacja w organizmie. Rodzaje biomateriałów Polimery - PMMA, PVC, PLA/PGA, PE, PP, PA, PTFE, PET, PUR, silikony Zalety Łatwość wykonania kompletnego elementu, Dostosowalność właściwości fizycznych i mechanicznych, Możliwość modyfikacji powierzchni, Możliwość wiązania komórek, Biodegradowalność. Wady Rozpuszczalność, Absorbcja wody i białek, Zanieczyszczenie powierzchni, Ścieralność i łamliwość, Biodegradowalność, Trudności ze sterylizacją, Rodzaje biomateriałów Metale stal nierdzewna, tytan, złoto, kobalt-chrom, tytan-nikiel Zalety Wysoka wytrzymałość, Odporność zmęczeniowa, Niska ścieralność, Łatwość wytwarzania, Łatwość sterylizacji, Możliwości pamięci kształtu. Wady Wysoki moduł, Podatność na korozję, Toksyczność, Metaliczny wygląd. 2

Rodzaje biomateriałów Materiały ceramiczne tlenek glinu, dwutlenek cyrkonu, fosforany wapnia, szkła, węgiel Zalety Wysoka wytrzymałość, Odporność korozyjna i na ścieranie, Wysoka gładkość powierzchni, Bioaktywność, bioobojętność. Wady Wysoki moduł sztywności, Niska odporność na pękanie, Trudności w wytwarzaniu. Historia materiałów bioceramicznych ok. 2000 B.C., czaszka z ubytkiem zębowym uzupełnionym masą perłową (aragonit z policukrami i białkami), cywilizacja Majów, ok. 1500 B.C., papirus Ebersa, m.in. użycie materiałów ilastych, XVIII w. porcelanowe koronki zębowe, gipsowe uzupełnienia kostne, 1920 r. fosforan wapniowy jako materiał na ubytki kostne, 1965 r. patent na protezę stawu biodrowego z tlenku glinu, lata 1970-80 nowe materiały na ubytki kostne (HAp) i protezę (ZrO 2 ), lata 90 kompozyty, Oprócz bardzo dobrych właściwości mechanicznych, odporności chemicznej i trwałości wyroby korundowe są lepiej zwilżalne in vivo a także Ti6Al4V 316SS CoCr TZP Al2O3 Moduł Young a, GPa 110 200 230 210 380 Wytrzymałość, MPa 800 650 700 900-1200 500 Twardość HV 100 190 300 1200 2200 3

charakteryzują się bardzo niską ścieralnością w każdym rodzaju połączenia: ceramika/metal, ceramika/polimer i ceramika/ceramika. zużycie liniowe, mm zużycie objętościowe, mm 3 metal/polimer 0,2 55,71 ceramika/polimer 0,1 17,10 metal/metal 0,01 0,88 ceramika/ceramika 0,005 0,04 Gwarantuje to brak luźnych, niebiozgodnych, ziaren pochodzących ze zużytego materiału i możliwość zastosowania korundu jako elementów protezy stawu biodrowego, płytek i wkrętów kostnych, pokryć porowatych na trzpienie protez, porowatych kształtek dystansowych, elementów protez kolanowych, koronek i mostków stomatologicznych. Zalety: Bioobojętność, słaba odpowiedź układu odpornościowego na wszczepy, Wady: Słabe przerastanie tkanką kostną, Brak dobrego przylegania tkanek miękkich, Pękanie w środowisku in vivo. pierwsza proteza stawu biodrowego z główką wykonaną z tlenku glinu 1970; pierwsza pełna proteza stawu biodrowego, główka + panewka - 1977, system AUTOPHOR lata 80-te XX w., lata 1982 1988 ponad 900 implementowanych protez; od 1995 system Biolox firmy Ceramatec. 4

Biolox forte system główka-panewka wykonane z ultra-czystego tlenku glinu z niewielkim dodatkiem tlenku magnezu celem kontroli mikrostruktury; Biolox delta kompozyt zawierający, oprócz Al 2 O 3, do 17% obj. Y 2 O 3 - ZrO 2, % obj. Cr 2 O 3, 3 % obj. SrAl 12 O 19 (płaskie ziarna); Jak działa Biolox delta? 5

Dlaczego tlenek glinu jest lepszy od metalu? Dwutlenek cyrkonu jako biomateriał Pierwsze badania nad ZrO 2 jako biomateriałem pochodzą z lat 60 a pierwsze zastosowanie, jako THR (Total Hip Replacement), miało miejsce w 1988 r. Stosuje się roztwory stałe typu TZP z Y 2 O 3 albo, ostatnio częściej, typu PSZ z CaO lub MgO. Zakres zastosowania pokrywa się z wyrobami korundowymi. W porównanie z korundem TZP i PSZ mają wyższą wytrzymałość i odporność na kruche pękanie są również bardziej biozgodne. Do roku 2006 zaimplantowano ponad 600 000 THR z główkami z dwutlenku cyrkonu przy zaledwie dwóch negatywnych skutkach ale Dwutlenek cyrkonu jako biomateriał w latach 2000 i 2001, w krótkich odstępach czasu, doszło do ponad 400 przypadków zniszczeń protez zwłaszcza firmy Prozyr. Przyczyna przemiana fazy tetragonalnej w jednoskośną i związana z tym zmiana objętości a w konsekwencji pękanie podkrytyczne: 6

Dwutlenek cyrkonu jako biomateriał co w połączeniu z tarciem: powoduje szybką degradację materiału. Przyczyny tego zjawiska związane są głównie z reakcją chemiczną z elektrolitami i nierównowagowym stanem powierzchni. Dwutlenek cyrkonu jako biomateriał Czy to eliminuje ZrO 2 jako biomateriał? Jak pozbyć się negatywnych zjawisk starzeniowych? drobniejsza mikrostruktura ziarna poniżej 0,6 μm, kompozyty do 20 % Al 2 O 3, zastąpienie 3Y-TZP materiałami typu Ca- i Mg-PSZ, modyfikacja stanu powierzchni, Bioszkła Pierwsze bioaktywne szkła opracowano pod koniec lat 60-tych XX w. (1967, L. Hench, Uniwersytet Florydzki, Bioglass ). Przyczyną była potrzeba znalezienia taniego materiału umożliwiającego szybkie interwencje chirurgiczne. Poszukiwano materiału tworzącego bezpośrednie połączenia pomiędzy tkankami bez konieczności stosowania metalicznych czy polimerowych implantów. Na początku lat 70 stwierdzono, że niektóre materiały w układzie Na 2 O CaO P 2 O 5 SiO 2 z niewielkimi dodatkami B 2 O 3 oraz CaF 2 tworzą silne połączenia z kością. 7

Bioszkła A C Z punktu widzenia właściwości wiążących w stosunku do kości optymalny jest obszar na diagramie fazowym Na 2 O CaO SiO 2 wokół potrójnej eutektyki w pobliżu 45S5 (45 % SiO 2, stosunek CaO do P 2 O 5 = 5). A: wiązanie w ciągu 30 dni, SiO 2 B: brak wiązania, reaktywność zbyt niska, C: brak wiązania, reaktywność zbyt wysoka, B D: silne wiązanie, D CaO Na 2 O Bioszkła W zależności od potrzeb (czas wiązania, rodzaj kości) modyfikuje się skład chemiczny bioszkła. Bioszkła Etapy działania wiążącego bioszkieł: Implantacja bioszkła, Wymiana jonów sodu na jony wodorowe, Rozpuszczanie i wtórna polimeryzacja SiO 2, Wytrącanie bezpostaciowego fosforanu wapniowego, Zarodkowanie i krystalizacja hydroksyapatytu, Absorbcja cząstek biologicznych, Uaktywnienie makrofagów, Przyłączenia hemocytoblastów, Podział hemocytoblastów, Narastanie kolonii komórkowych, Krystalizacja matrycy kostnej, 8

Materiały szklano-krystaliczne Modyfikując skład chemiczny szkła i wywołując częściową dewitryfikację otrzymuje się materiały zawierające w osnowie szklistej wtrącenia: mullitu, wollastonitu, hydroksyapatytu, leucytu, krzemiany litu, Fosforany wapnia W 1920 r. zaobserwowano, że obraz dyfrakcyjny (XRD) materiału naturalnej kości jest podobny do obrazu jednego z fosforanów wapnia hydroksyapatytu. Późniejsze badania wykazały, że głównym mineralnym składnikiem kości jest mineralny hydroksyapatyt zawierający w strukturze różnego rodzaju podstawienia takie jak OH -, CO 3 2-, Cl - F -. Fosforany wapnia Skrót Związek Minerał Wzór Ca/P CP metafosforan(v) wapnia Ca(PO 3) 2 0,5 C2P pirofosforan(v) wapnia Ca 2P 2O 7 1,0 TCP ortofosforan(v) wapnia whitlockit Ca 3(PO 4) 2 1,5 TTCP dwufosforan(v) czterowapniowy hilgenstockit Ca 4(PO 4) 2O 2,0 MCPA dwuwodorofosforan(v) wapnia Ca(H 2PO 4) 2 0,5 DCPD uwodniony wodorofosforan(v) wapnia bruszyt CaHPO 4 2H 2O 1,0 DCPA wodorofosforan(v) wapnia monetyt CaHPO 4 1,0 HAp ortofosforan(v) wodorotlenek wapnia hydroksyapatyt Ca 10(PO 4)(OH) 2 1,67 9

Fosforany wapnia hydroksyapatyt HAp mineralny rzadko występujący minerał z grupy apatytów. W przyrodzie występuje wiele różnorodnych minerałów apatytowych, głównie apatyt fluorowy Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2. Minerały apatytowe można spotkać w skałach magmowych, wapiennych skał metamorficznych a także obecne są w fosforanowych skałach osadowych. Apatyty i fosforyty naturalne wykorzystuje się w produkcji nawozów sztucznych, a także dla przemysłu metalurgicznego, szklarskiego i ceramicznego. Stosunkowo duże złoża są w Maroku, Szwecji i na Florydzie zaś w Polsce w okolicach Karpacza. Fosforany wapnia hydroksyapatyt HAp mineralny, HAp biologiczny - zasadniczy składnik kości i zębów. Apatyty kostne tworzą drobne izometryczne kryształy o rozmiarach 20 30 nm lub kryształy iglaste bądź płytkowe o długości 40 60 nm, szerokości 20 nm i grubości 1,5 5 nm. Wykazują one bardzo duże rozwinięcie powierzchni rzędu 100 m 2 /g. Decydują one o odpowiedniej sztywności i wytrzymałości mechanicznej kości. Źródło kości wołowe, wieprzowe, tuńczyka Fosforany wapnia hydroksyapatyt HAp mineralny, HAp biologiczny, HAp syntetyczny wytwarzany w wyniku reakcji chemicznych pomiędzy różnymi prekursorami i różnymi technikami: strącanie, zolżel, metoda hydrotermalna, z wykorzystaniem emulsji, osadzanie biomimetyczne, elektroosadzanie,, np.: zawiesina CaO i H 3 PO 4 w środowisku o kontrolowanym ph. 10 Ca(OH) 2 + 6 H 3 PO 4 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18 H 2 O O morfologii proszku decyduje zespół parametrów fizycznych. 10

Fosforany wapnia hydroksyapatyt Fosforany wapnia trójfosforan wapnia Ca 3 (PO 4 ) 2 jego mineralogicznym odpowiednikiem jest whitlockit. TCP jest materiałem pokrewnym do hydroksyapatytu lecz w przeciwieństwie do niego, nie zawiera wody konstytucyjnej. Stosunek molowy Ca:P wynosi dokładnie 1,5. Istnieją dwie odmiany polimorficzne: niskotemperaturowa, trwała do temperatury 1125 C (β-tcp) oraz wysokotemperaturowa (α-tcp). Przemianie polimorficznej towarzyszy zmiana objętości właściwej o ok. 7,3 % czego skutkiem mogą być mikropęknięcia a w rezultacie obniżenia wytrzymałości wyrobów. Fosforany wapnia - zastosowanie W formie proszku: w stomatologii do wypełnień ubytków, do leczenia perforowanych kanałów korzeniowych, jako uszczelniacz kanałowy, jako dodatek do cementów dentystycznych, jako pokrycia na implantach dentystycznych i ortopedycznych, w chirurgii twarzoczaszki do wypełnień ubytków po usuniętych torbielach, guzach niezłośliwych, oraz w leczeniu ubytków pourazowych, po usunięciu ciała obcego, 11

Fosforany wapnia - zastosowanie W formie granul: w stomatologii jako wypełnienie zanikłej krawędzi wyrostka zębodołowego, jako uzupełnienie ubytków kostnych powstałych na skutek zabiegów hemisekcji, radektomii, amputacji korzenia zęba lub po operacji cyst korzeniowych, w chirurgii szczękowo-twarzowej do wypełnień ubytków kostnych po usuniętych torbielach i guzach, bądź też ubytków powstałych na skutek urazów, w ortopedii do wypełnień ubytków, Fosforany wapnia - zastosowanie W formie kształtek porowatych: wypełnienie poekstrakcyjnych zębodołów, wypełnienia ubytków kostnych w ortopedii jako nośnik leków, jako podłoże do hodowli komórek, W formie kształtek gęstych: jako implanty kostne dna oczodołu, w otolaryngologii jako implanty ucha środkowego, jako tzw. implant PD (Percutaneous Device) stanowiący fragment np. zestawu do dializy metodą otrzewnową, w inżynierii tkankowej jako podłoże do hodowli tkanek. Fosforany wapnia - zastosowanie przed operacją po operacji 6 miesięcy 12 miesięcy 12

Terapie z użyciem materiałów ceramicznych - BNCT Odkrycie neutronu przez Chadwick a w 1932 r., Opis reakcji wychwytu neutronu przez jądro boru w 1935 r. przez Taylora i Goldhabera; Propozycja wykorzystania wychwytu neutronów dla terapii nowotworów w 1936 r. przez Locher a; Sugestia zastosowania BNCT dla najbardziej złośliwych guzów mózgu w 1951 r. przez Sweet a; Pierwsze próby kliniczne w Brookhaven National Laboratory oraz w Massachusetts Institute of Technology. Wykorzystano reaktory badawcze, generujące neutrony termiczne (<0.4 ev) oraz boraks. Kolejne kliniczne badania w 1968 w Japonii, nowe związki boru o wyższej selektywności i lepszej koncentracji w komórkach nowotworowych. Poniesienie energii neutronów do epitermalnej (0,4 ev 10 kev), głębsza penetracja, wyższa dawka deponowana w obszarze guza; W wyniku reakcji jądra 10 B z neutronem powstają cząsteczki α oraz jądra odrzutu 7 Li: 10 B + n th [ 11 B] 4 He 2+ + 7 Li 3+ + 2,79 MeV (6%) Terapie z użyciem materiałów ceramicznych - BNCT 10 B + n th [ 11 B] 4 He 2+ + 7 Li 3+ + 2,31 MeV + γ (0,48 MeV) (94%) Cząstka α oraz jądro 7 Li przemieszczają się odpowiednio o ok. 9 µm i 5 µm w przeciwnych kierunkach. Są to odległości porównywalne ze średnicą wielu komórek nowotworowych. Nośniki dostarczające bor do organizmu muszą charakteryzować się niską toksycznością i selektywnością gromadzenia w tkankach nowotworowych. Pierwszymi związkami boru wykorzystywanymi w BNCT były BSH (di-sodium undecahydro-mercapto-closo-dodecacarborate) i BPA (p-boronphenylalanine) Obecnie trwają badania nad dostarczaniem boru do komórek w postaci nanocząstek nieorganicznych związków boru (BN, B 4C) z odpowiednio sfunkcjonalizowaną powierzchnią. Terapie z użyciem materiałów ceramicznych - MNP Na powierzchnie ziaren materiałów ferromagnetycznych (Fe 3O 4, spinele, coreshell, rzadziej metale) o nanometrycznych rozmiarach nanosi się substancje organiczne (funkcjonalizacja powierzchni); Po wprowadzeniu do krwioobiegu lokalizują się one w tkankach o specyficznych właściwościach (tkanki zmienione chorobowo); Możliwe jest obrazowanie w polu magnetycznym (MRI) jak i terapia (hipertermia); 13

Terapie z użyciem materiałów ceramicznych - MNP Materiały ceramiczne jako nośniki leków Jako nośniki leków mogą być stosowane zarówno nanocząstki ceramiczne: Materiały ceramiczne jako nośniki leków Jako nośniki leków mogą być stosowane zarówno nanocząstki ceramiczne, jak i materiały porowate, z reguły fosforany wapnia: 14

Materiały ceramiczne jako nośniki leków Jako nośniki leków mogą być stosowane zarówno nanocząstki ceramiczne, jak i materiały porowate, z reguły fosforany wapnia lub materiały ilaste: Biomateriały - zastosowanie Rynek biomateriałów ceramicznych Miliony $ 15