Biomateriały biomateriał Słowo nie zostało jeszcze zauważone przez twórców polskich drukowanych słowników i encyklopedii (jedynie internetowa encyklopedia PWN oraz podręcznik inżynierii materiałowej podają jego znaczenie: dowolny materiał lub kombinacja materiałów (ale nie lekarstwo), które mogą być użyte, jako część systemu leczącego lub zastępującego dowolną tkankę, organ lub funkcję organizmu (L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, 2002). Materiał użyty do budowy sztucznych organów, urządzeń rehabilitacyjnych lub protez i zastępujący naturalne tkanki (The American Heritage Medical Dictionary, 2007); Syntetyczny materiał zastępujący część żywego układu lub działający w kontakcie z żyjącymi tkankami (Park, 1995); Biomateriały Materiały metaliczne Stale i stopy Stale austenityczne Stopy na osnowie kobaltu Tytan i jego stopy Stopy z pamięcią kształtu Bioceramika Resorbowalna w organizmie Z kontrolowaną reaktywnością Obojętne Polimery Syntetyczne Biostabilne Biodegradowalne Naturalne Proteiny Polisacharydy y Szkła Kompozyty 1
Biomateriały Biomateriał może być syntetyczny lub naturalny, może być ciałem stałym lub cieczą. Bardzo wiele najnowszych biomateriałów to kompozyty. Biomateriały powinny być samo-naprawiające się. Biomateriały metaliczne Ti, Stopy Ti-6Al-4V Stopy Ti-6Al-7Nb Implanty denstystyczne Korony, mostki Stopy: Au-Cu-Ag, Au-Cu-Ag-Pt-Pd Ti-6Al-4V, Ti Stal 316L Stopy Ti-Ni Stenty Elektrody: stop Pt-Ir, Ti Obudowa: Ti, Ti-6Al-4V Rozrusznik serca Stopy Ti-6Al-4V Stal 316L Stopy Ti-6Al-7Nb Płytki kostne Na podstawie: S. Hiromoto, Interface, Summer 2008, 41 Stopy Ti-6Al-4V Stopy Co-Cr Stal 316L Endoprotezy 2
Bioceramika Obojętna Al 2 O 3 ZrO 2 stabilizowany Y lub Mg Mikroporowata (tworzenia naturalnego łączenia z tkanką kostną) d>100-150 150 µm ceramika oparta na fosforanach wapnia porowaty Al 2 O 3 Bioaktywna (międzyfazowe połączenie eimplantu patuz ta tkanką) fosforany wapnia np. fosforan trójwapniowy (TCP) Resorbowalna bioszkła hydroksyapatyt (HA) szkło-ceramika apatytowowollastonitowa kompozyty np. HA+polietylen Biomateriały polimerowe SYNTETYCZE BIOSTABILNE BIODEGRADOWALNE polietylen polisulfon polipropylen politetrafluoroetylen (PTFE) poliamidy poliuretany silikony poliwęglany politereftalan etylu polimery akrylowe polilaktyd (PLA) poliglikolid (PGA) polilaktyd glikolid (PLGA) poli (kaprolakton) poli (dioksan) węglan trójmetylenowy poli (ß-hydroksymaślan) poli (g-etyloglutaminian) l poli (DTH iminowęglan) poli (biofenolaiminowęglan) poli (ortoester) poli (cyjanoakrylan) poli (fosfazen) NATURALNE PROTEINY kolagen soja fibrynogen celuloza kwas alginiowy, alginiany chityna chitozan kwas hialuronowy POLISACHARYDY 3
Biomateriały Jakie cechy powinien mieć biomateriał? Musi być biokompatybilny (nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek); Może być przy tym neutralny dla organizmu (nie oddziałuje); Może być bioaktywny (oddziałuje z tkankami: następuje integracja materiału z tkanką). Może być biodegradowalny (rozkładać się w organiźmie); Musi mieć odpowiednie właściwości. Np. implant kości nie może być ani słabszy, ani silniejszy niż kość. Historia Powszechnie uważa się, że zastępowanie tkanek i organów człowieka innymi materiałami (biomateriałami) to bardzo młoda dziedzina wiedzy. Czy to prawda? Prawdą jest, że systematyczne i celowe badania nad biomateriałami to ostatnie 100 lat. Prawdą jest również, że od tysięcy lat człowiek podejmował ł próby (niejednokrotnie i udane) zastępowania brakujących lub uszkodzonych części ciała innymi materiałami. 4
Pierwsze szwy chirurgiczne 30000 p.n.e.? Istnieją dowody, że szwy stosowano już 32000 lat temu1. Papirus pochodzący z siedemnastego wieku p.n.e. "Edwin Smith Papyrus"2, który prawdopodobnie jest kopią starożytnego podręcznika medycznego (3000-2500 p.n.e.) opisuje metodę zszywania brzegów rany 1 NATNEWS, 1983, 20(5): 15 7 2 http://www.touregypt.net/edwinsmithsurgical.htm#case%20twenty-seven: Pierwszy "implant" 7000 p.n.e.? Człowiek z Kennewick, odkryty w 1996 roku nad rzeką Kennewick w USA pochodzący z 7000 roku p.n.e., to najstarszy znany przykład pełnej integracji biomateriału z tkanką kostną (ostrze oszczepu utkwiło w kości udowej, rzecz jasna, nie w celu poprawienia właściwości kości). W Rzymie odnaleziono dobrze zintegrowany z kością ząb żelazny (100 n.e.). Majowie stosowali implanty zębów wykonane z perły. Również następowała pełna integracja z kością (600 n.e.). Etruskie sztuczne zęby 5
Nowsza historia Theodore Gluck Implant kości udowej (kość słoniowa) Branemark Pierwszy implant tytanowy Vacanti Ucho myszy Charnley Implant stawu biodrowego Implant pęcherza 1891 1952 1961 1998 2006 1949 1960 Starr-Edwards Sir Harold Ridley Zastawka serca Implant soczewki z PMMA 1975 Rheinwald et al. Sztuczna skóra Biomateriały: nauka Nauka o biomateriałach to interdyscyplinarna Nauka o biomateriałach to interdyscyplinarna dziedzina pomiędzy medycyną, biologią, fizyką, chemią, inżynierią materiałową, elektroniką, mechaniką, etyką i nie tylko. 6
Biomateriały: przemysł Soczewki wewnątrzoczne Soczewski kontaktowe Wszczepy naczyniowe Endoprotezy biodrowe i kolanowe Cewniki Zastawki serca Stenty Implanty piersi Implanty dentystyczne Rozruszniki serca sztuk rocznie 7 mln. 75 mln. 400 tyś. 1 mln 300 mln. 200 tyś. 2 mln. 200 tyś. 300 tyś. 200 tyś. Rynek 100 mld. dolarów, 1700 różnych typów przyrządów biomedycznych. B.D. Ratner (An Introduction to Biomaterials), University of Washington Engineered Biomaterials 13 Wybrane przykłady biomateriałów 7
Funkcje biomateriałów Ortopedia: śruby, płytki, Metale Dostarczanie leków Polimery Syntetyczne BIOMATERIAŁY Skóra, naczynie krwionośne Implanty oka Kości Ceramika Zastawki serca Zęby Mikroelektrody Półprzewodniki Zęby Biosensory 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. 8
Biomateriały trzeciej generacji Biomateriał stanowi chwilową strukturę służącą do wytworzenia własnych tkanek przez organizm. Biomateriały trzeciej generacji Szkielet powinien spełniać następujące warunki (poza biokompabitylnością i innymi cechami obowiązkowymi dla biomateriału): Powinien tworzyć stabilną, porowatą,3d strukturę; Nie powinien rozpuszczać się wwodzie wodzie, ale powinien się stopniowo biodegradować; 9
Biomateriały na implanty kości Kość jest tkanką silnie unaczynioną idynamiczną, zmieniającą się w trakcie życia człowieka. Oprócz oczywistych funkcji strukturalnych jest magazynem wapnia i fosforu oraz odgrywa rolę w regulowaniu koncentracji elektrolitów we krwi. Najlepsza strategia leczenia dużych ubytków kości to autoprzeszczepy (przeszczep kości z miejsc o mniejszych obciążeniach, np. żeber). Ponieważ nie zawsze jest to możliwe, zapotrzebowanie na biomateriały zastępujące kość bardzo szybko rośnie. Biomateriały na implanty kości Celem jest aby biomateriał stanowił szkielet, na którym będzie tworzyć się kość. Po pewnym czasie biomateriał zostanie wchłonięty przez organizm i całkowicie zastąpiony właściwą kością. M.M. Stevens, Materials Today 111 (2008), 18. 10
Biomateriały na implanty kości Przez ostatnie 20 lat zbadano wiele materiałów. Są to: Bioceramiki; Bioszkła; Naturalne lub syntetyczne polimery; Hydrożele; Kompozyty. M.M. Stevens, Materials Today 111 (2008), 18. Biomateriały na implanty kości: Syntetyczne biopolimery Są to głównie liniowe, alifatyczne poliestry (poli-kwas mlekowy, ang. polilactic acid PLA, poli-kwas glikolowy PGA i ich kopolimery). Od dawna są używane jako np. nici chirurgiczne. W organizmie rozkładają się odpowiednio do kwasu mlekowego i glikolowego. Można je otrzymać w postaci włókien, mikrosfer, warstw, zatem można z nich wytwarzać porowate matryce implantów. 11
Biomateriały na implanty kości: materiały naturalne Najlepszym kandydatem jest kolagen i produkty bazujące na kolagenie. Inne przykłady: Jedwab (ale się za wolno biodegraduje); d Polisacharydy; Biomateriały na implanty kości: Hydrożele Hydrożele to też polimery, ale o szczególnych, wyróżniających je właściwościach. To polimery usieciowane zawierającedużo wody związanej między łańcuchami. Mogą wypełniać ubytki tkanki kostnej o nieregularnym kształcie. Przykłady: glikol polietylenowy(pag), lub kopolimer PAG i diakrylamidu. Kłopoty z biodegradowalnością. 12
Biomateriały na implanty kości: Ceramika i szkło Główne bio- ceramiki i szkło to fosforan wapnia (Ca 3 (PO 4 ) 2 - TCP), hydroksyapatyt (Ca 10 (PO 4 ) 6 x (OH) 2 -HA) i szkła krzemianowe zawierające Ca i P. Wszystkie mają skład podobny do mineralnych składników kości. Na ich powierzchni, w organizmie powstaje warstwa wiążąca się z tkanką. Mogą być być ponadto źródłem jonów (Si) aktywujących różnicowanie się komórek kości. Biomateriały na implanty kości Przykłady technologii wytwarzania porowatego szkieletu Wypłukiwanie cząstek soli: Drobno zmieloną sól miesza się z roztworem polimeru. Po odparowaniu rozpuszczalnika sól wypłukuje się ę w wodzie. Separacja faz: obniżenie temperatury powoduje krystalizację rozpuszczalnika, który może być następnie usunięty. P.X.Ma, Materials Today May 2004, 30. 13
Biomateriały na implanty kości Nanotechnologia. Stwierdzono, że najlepsze wyniki osiąga się, gdy mikrostruktura biomateriału matrycy jest możliwie podobna do kości. Tzn. gdy jest skali nano- (rzędu 50-500 nm). P.X.Ma, Materials Today May 2004, 30. Biomateriały zastępujące inne tkanki Podobne metody (wzrost tkanki na sztucznej matrycy) bada się w stosunku do innych tkanek aktywnych mechanicznie. Np. chrząstki: ą Tkana matryca polimerowa (kwas poliglikolowy), na której powstanie tkanka chrząstki. Science 322 (2008), 1460 14
Biomateriały zastępujące inne tkanki Freed i George Engelmayr Jr. Wytworzyli niedawno sztuczną tkankę mięśnia serca na bazie matrycy o strukturze plastra miodu, składającą się jak akordeon. Komórki tkanki orientują się ę w kierunkach wyznaczonych przez mikrostrukturę matrycy. Polimerowa matryca zmusza komórki mięśniowe do zorientowania się i działania w odpowiednim kierunku. Science 322 (2008), 1460 Biomateriały zastępujące inne tkanki Biomateriały służące jako podłoże imatryca do wytworzenia skóry są w użyciu i badaniach od 25 lat. Trzy główne materiały są wykorzystywane: naturalny kolagen otrzymany z tkanki ludzkiej, kolagen bydlęcy i nietkana matryca polimerowa z kwasu poligalaktycznego. Materials Today 11 (2008), 35 15
Biomateriały zastępujące inne tkanki Biomateriały służące do regeneracji a nawet zastąpienia neuronów są obecnie intensywnie badane. Są to kanały prowadzące nerwy oraz matryce z nanowłókien służące ułatwieniu regeneracji nerwów. Rezultat: wyleczenie krótkich 10-20 mm uszkodzeń nerwów u myszy. F. Johansson, et al., Biomaterials (2006) 27, 1251 16