BOLJE IMPLANT NEGO PROTEZA – ELEKTROHEMIJA U MEDICINI I BIOLOGIJI

Vesna Mišković-Stanković

Tehnološko-metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu

Muzej nauke i tehnike, Beograd, 14. novembar 2019.

Biomaterijali – potpuna ili delimična zamena oštećenog tkiva, organa ili funkcije u telu.

Idealan biomaterijal – biokompatibilan, bioaktivan i ne izaziva inflamaciju ili toksičan odgovor na implantaciju u organizmu.

Biomaterijali za implante koštanog tkiva – biokeramičke prevlake na bazi hidroksiapatita (HAP) čiji su sastav, struktura i osobine slične kostima ili zubima.

Biomaterijali za implante mekih tkiva – hidrogelovi na bazi polimera polivinil-alkohola (PVA) .

BIOMATERIJALI

Mogućnost precizne kontrole sastava i količine biomaterijala, a time i njihovih karakteristika, izborom elektrohemijski parametara sinteze (napon, gustina struje, vreme).

Za implante koštanog tkiva dodatna prednost je mogućnost taloženja na metalnim supstratima kompleksnih oblika i na unutrašnjim površinama.

Prednosti elektrohemijskih metoda za dobijanje biomaterijala:

BIOMATERIJALI

Elektrohemijska sinteza novih biomaterijala:

Biokompatibilni

Netoksični

Antibakterijski sa ciljem sprečavanja infekcije na mestu implantacije.

CILJ

Ag/HAP/Gr PREVLAKA

NA TITANU

A.

Indikacije za implantaciju:

• osteoartritis • osteonekroza •reumatoidni artritis • post-traumatski osteoartritis •oštećenje hrskavice

IMPLANTI KOŠTANOG TKIVA

Proteza kuka i rentgenski snimak implantiranog kuka

IMPLANTI KOŠTANOG TKIVA

Proteza kolena i rentgenski snimak implantiranog kolena

DENTALNI IMPLANTI

Titan - najčešće primenjeni materijal za implante zbog svoje čvrstoće, tvrdoće i otpornosti prema koroziji i udarcima.

Biokompatibilnost titana se znatno poboljšava nanošenjem prevlake hidroksiapatita (HAP).

Kombinacija dobrih mehaničkih osobina Ti i bioaktivnosti HAP omogućava dobijanje implanta koštanog tkiva sa boljom biološkom funkcijom.

TITAN

Biokeramički materijal – hemijski sastav sličan kostima.

Bioaktivan, biokompatibilan i osteokonduktivan – ubrzava rast kostiju.

Ag – antimikrobni agens → kompozitna Ag/HAP prevlaka (Ca9.95Ag0.05(PO4)6(OH)2)

HIDROKSIAPATIT Ca10(PO4)6(OH)2, (HAP)

Grafen - monosloj atoma ugljenika raspoređenih u dvodimenzionalnu kristalnu rešetku.

GRAFEN (Gr)

Izuzetna mehanička svojstva – komponenta u polimernoj ili keramičkoj matrici za sintezu biomaterijala poboljšanih mehaničkih svojstava.

Elektroforetsko taloženje – elektroforeza i taloženje

- katoda: 2H2O + 2e− → H2 + 2OH−

R+ + OH − → prevlaka

- anoda: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e−

Elektroforeza - migracija naelektrisanih čestica u suspenziji pod uticajem električnog polja

Taloženje

ELEKTROFORETSKO TALOŽENJE

POSITIVELY

CHARGED PARTICLE

COATING

POTENTIOSTAT

• Priprema Ag/HAP/Gr suspenzije u etanolu

• Elektrohemijska ćelija

Elektroforetsko taloženje Ag/HAP/Gr prevlake

Radna elektroda: Ti pločica Pomoćna elektroda: Pt pločica Napon taloženja: 60 V Vreme taloženja: 45 s

c(HAP) = 1 wt. % c(Ag)= 0.05 wt. % c(Gr) = 0.01 wt. %

EKSPERIMENTALNI DEO

Reagens c / g dm-3

NaCl 7.996

NaHCO3 0.350

KCl 0.224

K2HPO4·3H2O 0.228

MgCl2·2H2O 0.305

CaCl2 0.278

Na2SO4 0.071

(CH2OH)3CNH2 6.057

1M HCl 40 cm3

Biomimetički rast– simulirana telesna tečnost (SBF), pH = 7.4, 37 °C

Biomimetički rast (mineralizacija) - SBF, 37 °C, 7 dana

before

immersion

after

immersion

Novi apatitni sloj Ag/HAP/Gr prevlake pločaste morfologije formiran posle SBF

Ag/HAP/Gr prevlaka na Ti

FE-SEM XRD

Posle 24 h nema prisutnih bakterija

ANTIBAKTERIJSKA AKTIVNOST – test u suspenziji

Ag/HAP/Gr prevlaka na Ti

Staphylococcus aureus Escherichia coli

CITOTOKSIČNOST – MTT test

Ag/HAP/Gr prevlaka na Ti

Blago smanjenje vijabilnosti PBMC ćelija → netoksična prevlaka

Tip ćelija Mononuklearne ćelije periferne krvi zdravih

pacijenata (PBMC)

Materijal Ag/HAP/Gr prevlaka

Vijabilnost ćelija (S), %

79.6 ±11.2

Klasifikacija Netoksična, stepen 1

HIDROGELOVI Ag/POLIVINIL-ALKOHOL/GRAFEN

B.

Obloge za rane (lečenje opekotina, dekubitisa, dubokih inficiranih rana)

rožnjača

krvni sudovi

jetra

hrskavica

Implanti mekih tkiva:

IMPLANTI MEKIH TKIVA I OBLOGE ZA RANE

srčani zalisci

urinarni trakt

IMPLANTI MEKIH TKIVA I OBLOGE ZA RANE

(b) Polivinil-alkohol

(PVA)

Tradicionalne obloge –gaze, zavoji, povidin jod

Savremene obloge – hidrogelovi

(c) Grafen (a) Nanočestice srebra

Nanočestice Ag (AgNPs)

Antimikrobni agens

Problem: tendencija ka aglomeraciji čestica

Stabilizacija rasta nanočestica polimerima

Elektrohemijska redukcija Ag+ jona u Ago u rastvoru polimera ili u

hidrogelu polimera Ag+ + n e¯ (Ag)n

IMPLANTI MEKIH TKIVA I OBLOGE ZA RANE

zamrzavanje – odmrzavanje, 5 ciklusa

(16 h -18°C, 8 h 4°C )

j = const, 30 min

5 – 50 mA cm-2

AgNO3 KNO3

0.01 wt.% Gr 10 wt.% PVA

Ag/PVA ili Ag/PVA/Gr kompozitni filmovi

Ag/PVA ili Ag/PVA/Gr koloidna disperzija

SINTEZA Ag/PVA KOMPOZITA

I. Elektrohemijska sinteza AgNPs u rastvoru

izlivanje, isparavanje rastvarača, 60 oC

Ag/PVA ili Ag/PVA/Gr kompozitni hidrogelovi (diskovi)

high low

PVA ili PVA/Gr hidrogel (zamrzavanje- odmrzavanje)

bubrenje:

AgNO3

KNO3 elektrohemijska redukcija Ag+ iona u hidrogelu

Ag/PVP ili Ag/PVA/Gr kompozitni hidrogelovi (diskovi)

U = const

15 – 200 V

SINTEZA Ag/PVA KOMPOZITA II. Elektrohemijska sinteza AgNPs u polimernom hidrogelu

Apsorpcioni pik na ~ 400 nm formirane nanočestice srebra

UV-Vis spektroskopija

Ag/PVA/Gr KOLOIDNA DISPERZIJA

FE-SEM (skenirajuća elektronska mikroskopija)

Ag/PVA/Gr FILMOVI

Ag/PVA/Gr Ag/PVA

Nanočestice srebra u Ag/PVA/Gr filmu su manjih dimenzija listovi Gr između PVA polimernih lanaca sprečavaju rast i

aglomeraciju nanočestica Ag

Koncentracija srebra u hidrogelu u početku opada naglo, a zatim se u duzem vremenskom periodu odrzava konstantnom

AAS (atomska apsorpciona

spektroskopija) – otpuštanje

srebra, SBF, 37oC

Ag/PVA/Gr HIDROGELOVI

Ag/PVA/Gr HIDROGELOVI

Blago smanjenje vijabilnosti PBMC ćelija → netoksični hidrogelovi

MTT test – citotoksičnost prema humanim mononuklearnim ćelijama periferne krvi (PBMC)

Tip ćelija PBMC

Hidrogel Ag/PVA Ag/PVA/Gr

Vijabilnost ćelija (S), %

82.94±1.57 76.83±6.62

Klasifikacija Netoksičan (stepen 1)

ANTIBAKTERIJSKA AKTIVNOST – test u suspenziji

Ag/PVA/Gr HIDROGELOVI

Staphylococcus aureus Escherichia coli

Posle 24 h nema prisutnih bakterija

A. Netoksične i antibakterijske Ag/HAP/Gr prevlake su uspešno dobijene postupkom elektroforetskog taloženja na titanu, za koštane i dentalne implante.

B. Elektrohemijskom sintezom su uspešno dobijeni netoksični i antibakterijski Ag/PVA i Ag/PVA/Gr hidrogelovi za obloge za rane i implante mekih tkiva.

ZAKLJUČCI

HVALA NA PAŽNJI