C ate Influenta Biomaterialelor

  • Upload
    ibg

  • View
    367

  • Download
    4

Embed Size (px)

Citation preview

Universitatea Politehnica Bucureti 2010

Influena mediului biologic asupra biomaterialelorCurs

ANTONIAC Iulian

Coroziunea

Coroziunea este unul din procesele majore ce se desfoar atunci cnd un material metalic este n contact intim, prin implantare, cu cel puin un esut al organismului uman, avnd drept rezultat continua degradare a acestora cu formarea unor diveri produi de reacie. De asemenea, prin coroziune se formeaz ioni metalici ce pot avea efecte locale sau sistemice nocive. Mediul fiziologic normal al organismului uman este un mediu apos, ce conine ap, oxigen dizolvat, sruri, proteine, carbohidrai, lipide. Materialul metalic implantat este, n mod continuu, n contact cu diverse lichide biologice, cum ar fi: sngele, fluidul extracelular i fluidul sinovial. Fluidul extracelular, care este cel mai adesea n contact cu implanturile, conine cantiti mari de ioni, cum ar fi: Na, Cl HC03, OH, avnd un pH n jurul valorii de 7,4 ( 7,27,4), meninut la o temperatur constant de 370C. Drept rezultat, mediul fiziologic este foarte agresiv i, n consecin, rezistena la coroziune a materialelor metalice implantate este un important aspect al biocompatibilitii acestora.

Coroziunea

Dou aspecte controleaz corozivitatea acestui mediu:

- solutia salin este un electrolit excelent, facilitnd mecanismele electrochimice ale coroziunii, - exist multe specii moleculare i celulare n esuturi care au capacitalea de a cataliza anumile reacii chimice sau de a distruge anumiti componeni identificai ca strini organismului.

Valoarea normal pentru pH se modific imediat dup operaia chirurgical de implantare, funcie de aceasta, i este variabil n timpul perioadei de vindecare. n momentul implantrii, valoarea pH se modific spre valori acide de circa 5,2 n zonele afectate ale esutusrilor i revine la normal n cteva zile. De asemenea,

Coroziunea

Deoarece mediul fiziologic este unul apos, procesul de coroziune este de tip electrolitic, agresivitatea acestuia fiind modificat de prezena diferiilor ioni, n special cei de clor, precum i de prezena diverselor specii moleculare i celulare, cum ar fi: proteinele, fagocitele, osteoblastele.

Moleculele biologice pot schimba echilibrul reaciei de coroziune prin consumarea unuia dintre produii reaciilor anodice sau catodice. Proteinele au adesea rol de purttor de electroni i pot astfel influena potenialul de electrod, iar bacteriile pot schimba pH mediului local prin generarea de produi metabolici acizi.

Exist dovezi suficiente pentru a susine premisa ca prezena proteinelor influeneaz gradul de coroziune al unora dintre metale. A fost demonstrat faptul c proteinele interacioneaz cu suprafaa metalului iar cantitatea absorbit este diferit la fiecare metal. n acelai mod, s-a observat c proteinele ader la proteine i c sunt dislocate de la locul respectiv sub forma unui complex protein-metal care se raspndete n restul corpului. n concluzie, se poate spune c proteinele influeneaz reacia de coroziune care apare cnd se implanteaz un metal, dar nu poate explica acest mecanism.

Coroziunea

Modul n care se propag coroziunea are o importan deosebit pentru caracterizarea unui metal sau aliaj. Distribuia zonelor de atac este tot att de important ca i viteza de coroziune n stabilirea rezistenei la coroziune a metalelor i aliajelor. Dup aspectul distrugerii, se pot clasifica diferitele tipuri de coroziune n cel puin dou mari grupe: coroziune uniform; coroziune localizat.

Aceast clasificare nu exclude ns posibilitatea ca un anumit proces de coroziune s aib la nceput un aspect uniform i apoi localizat.

Coroziunea

Coroziunea general este uor controlabil prin determinarea pierderilor n greutate i are loc deoarece metalul se afl n stare activ, cnd formarea stratului pasiv este dificil de realizat. Coroziunea general depinde de compoziia chimic a biomaterialelor metalice, de natura i concentraia mediului i de temperatura corpului uman. Coroziunea general poate fi uniform sau aproape uniform cnd ntreaga suprafa metalic se corodeaz cu aceeai vitez sau cu viteze apropiate. Coroziunea localizat este prezent n cazurile n care anumite zone de pe suprafaa biomaterialului metalic se corodeaz cu viteze mai mari dect alte zone, datorit existenei unor neomogeniti prezente n material sau n mediu. Acest tip de coroziune se bazeaz pe frecvena i distribuia zonelor anodice. Atacul localizat presupune n general existena unei celule de coroziune format dintr-o zon catodic ntins i o zon anodic mult mai mic i, efectul va fi cu att mai pronunat, cu ct diferena

Coroziunea localizat

A. La biomaterialele metalice, dar n special la oelurile inoxidabile, formele de coroziunea localizat n absena tensiunilor mecanice sunt coroziunea intercristalin, coroziunea n puncte (denumit i pitting) i coroziune n crevas. Coroziunea intercristalin reprezint tipul de coroziune preferenial i progresiv a limitelor de gruni cristalini, provocnd o dezagregare a aliajelor metalice. n cazul coroziunii intercristaline nu este semnificativ pierderea de mas, ci modificarea caracteristicilor mecanice. Este frecvent ntlnit n oelurile inoxidabile austenitice (Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Mn-Ni). Biomaterialele metalice a cror rezisten bun la coroziune se datoreaz prezenei unui film subire pasiv sau unui film protector pe suprafa pot fi susceptibile la atacul de tip pitting, atunci cnd filmul se rupe local i nu se mai reface. Pitting-ul poate fi definit ca un caz limit de coroziune localizat, n care o zon mic este atacat n timp ce suprafaa metalic rmne neafectat. Coroziunea de tip pitting prezint dou stadii, unul de iniiere i unul de propagare. n timpul iniierii pitting-ului, filmul pasiv se rupe i nu se mai reface. n timpul propagrii pitting-ului, locurile mici active formate n timpul stadiului de iniiere se propag foarte rapid. Coroziunea n crevas este un proces de coroziune intens localizat (variind de la mici puncte de atac pn la coroziunea ntregii suprafee) i se poate forma, n principal, la: mbinri metalice (plci, mbinri prin filet); contactul dintre un metal cu un nemetal de tipul plasticului, cauciucului, sticlei; produi de coroziune pe suprafaa metalului.

Coroziunea localizat

Formele de coroziune localizat, n prezena tensiunilor mecanice, sunt: coroziunea la oboseal, eroziune coroziune, coroziunea fisurant. Coroziunea sub tensiune apare atunci cnd mediul de lucru are aciune specific, existnd o anumit sensibilitate a oelului cnd acesta este supus solicitrilor mecanice de traciune. Tensiunile de traciune provocate de fore exterioare sau de natura rezidual n urma prelucrrii termomecanice sunt cele mai periculoase n acest caz. Mecanismul coroziunii sub tensiune cuprinde dou stadii principale. Primul stadiu const n apariia adnciturilor de coroziune localizat ca o consecin a ruperii filmului protector al metalului n anumite puncte, precum i n dezvoltarea fisurilor, ca o consecin a aciunii simultane a coroziunii i a tensiunii ciclice. Stadiul al doilea, considerat drept stadiu al oboselii, const n propagarea fisurii care este determinat de concentrarea tensiunii ciclice i de proprietile mecanice ale metalelor. Fisura are o direcie normal pe planul de aplicare a tensiunii ciclice. n urma unor solicitri periodice ciclice, se instaleaz fenomenul de oboseal. Microscopic, acest fenomen const n deplasarea cristalelor dup

Coroziunea localizat

Influena vitezei de deplasare a soluiei sau a materialului metalic asupra formrii i cineticii reaciei de eroziune-coroziune este complex. O vitez destul de mare poate avea ca rezultat o alt form de atac care ia natere prin aciunea conjugat a celor dou mecanisme de coroziune i de eroziune. Termenul de eroziunecoroziune include toate acele forme de atac accelerat, n care filmele protectoare i chiar suprafaa metalic nsi, sunt ndeprtate sub aciunea fluidului n micare (gaz sau lichid) cu vitez mare. Efectul procesului de eroziune coroziune este deci o ndeprtare constant a filmului protector de pe suprafaa materialului metalic, avnd ca rezultat un atac localizat pe suprafaa de pe care filmul a fost ndeprtat. Biomaterialele metalice supuse aciunii simultane a unor tensiuni de ntindere provocat de fore exterioare sau unor tensiuni rezultate n urma prelucrrilor mecanotermice n mediu coroziv specific pot prezenta o coroziune fisurant sub tensiune. Susceptibilitatea la coroziune sub tensiune este determinat nu doar de tensiune i mediu, ci i de structura materialului metalic. Fenomenul complex al coroziunii fisurante sub tensiune are loc dup un mecanism n care acioneaz trei factori eseniali: electrochimic, mecanic i de absorbie.

Deteriorarea bioceramicelor

n industria medical aceste biomateriale sunt eseniale nu doar pentru realizarea implantelor sau protezelor, ci i pentru lentile, instrumente de diagnosticare, substane chimice, termometre, rame de formare de culturi de esuturi i fibre optice pentru endoscopii. Biomaterialele ceramice sunt de asemenea folosite n mare msur n stomatologie ca materiale de recondiionare, la realizarea coroanelor de porelan aurit sau a ionomerilor cementai de fibr de sticl. Viteza de degradare a ceramicelor n interiorul corpului poate varia considerabil comparativ cu cea a metalelor putnd fi foarte rezistente la coroziune sau foarte solubile. Ca o regul general, trebuie s ne ateptm s vedem o rezisten foarte mare la coroziune n cazul ceramicelor i sticlelor. De cnd procesul de coroziune n metale este unul de coroziune a structurii metalice i a celei ceramice trebuie s concludem intuitiv c structura ceramic reprezint o stare energetic mic n care vor exista fore mici pentru degradarea structural viitoare

Deteriorarea bioceramicelor

n general, vitezele de dizolvare ale acestor ceramice in vivo pot fi prezise din comportamentul n soluie simpl apoas. Oricum, vor fi unele diferene n detaliile din corp, mai ales cu variaiile vitezei de degradare vzute la diferite amplasamente de implanturi. Este posibil, ca activitatea celular, iniiat de fagocitostate sau de eliberarea radicalilor, s fie responsabil de aceste variaii. ntre extremele stabilitii i degradrii intenionate a unui grup mic de materiale n care poate fi o activitate limitat. Aceasta s-a observat la sticlele ceramice i la sticle, pe baz de Ca, Si, Na, P i O, n care se produce o disociere selectiv pe suprafa implicnd eliberarea de Ca i P, dar n care reacia apoi nceteaz deoarece stratul SiO2 rmne la suprafa. Aceasta este deosebit de interesant din cauza abilitii acestor suprafee de a se lega de os. Pe baza acestui comportament, bioceramicele se clasific n: Inerte sau aproape inerte; Ceramice resorbabile; Ceramice ale suprafeei controlate reactiv.

Mecanismul atarii esuturilor este raportat direct la tipul de rspuns al esutului la interfaa implant esut. Acestea au 4 tipuri de rspunsuri ale esutului i 4 scopuri

Degradarea biopolimerilor

Degradarea biopolimerilor este distrugerea chimic a materialelor polimerice prin aciunea organismelor vii care conduc la schimbri ale proprietilor fizice. Descris de unii autori ca biodegradarea polimerilor, acesta este un concept vast, ce se ntinde de la descompunerea pierderilor mediului mplicnd microorganisme la deteriorarea biomaterialelor din implanturile medicale.Exist mai multe moduri n care mediul biologic nconjurtor sporete rata ruperii mecanice a polimerilor, cum ar fi: uzura; inflamarea; efectele mecanice asupra compatibilitii sngelui i calcifierii. n general, frecarea este redus, dar uzura poate fi sporit datorit uzurii prin alunecare. Alte mecanisme care conduc la creterea uzurii in vivo sunt: presiunea de crpare, imperfeciunile structurale i dilatarea polimerilor. Deci, un important criteriu de selecie a materialelor pentru implanturi medicale este cantitatea, mrimea, forma i compoziia uzurii prin sfrmare care poate i realizat in vivo.

Degradarea biopolimerilor

Componentele polimerice ale dispozitivelor implantabile sunt n general garantate pe durata propus de via. Se impune ns o selecie atent i o testare preclinic intens a acestora. Nici un polimer nu este total impenetrabil pentru complexul de procese chimice i solicitri mecanice propriu corpului omenesc. n general, materialele polimerice se degradeaz deoarece constituienii corpului atac biomaterialul direct, prin intermediul altor componente ale dispozitivului sau prin intervenia unor factori externi. Trebuie menionat c pe durata de timp dintre sintez i utilizarea sa n corp, asupra unui polimer se aplic numeroase procese. Mecanismele ce conduc la degradarea proprietilor polimerilor pot fi fizice sau chimice i ele pot apare n diferitele stadii ale existenei polimerului. Astfel, unele procese de degradare pot implica interacia a dou sau mai multe mecanisme individuale, ba mai mult, un tratament al materialului nainte de implantare l poate predispune la un comportament final stabil sau instabil.

Degradarea biopolimerilorMecanismele fizice care conduc la degradarea proprietilor polimerilor sunt: Absorpia Extracia Mineralizarea Creterea Cristalizarea Decristalizarea nmuierea Ruperea la oboseal Ruperea la lovire

Fisurarea sub tensiune

Mecanismele chimice care conduc la degradarea proprietilor polimerilor sunt: Termoliz Hidroliz Alcoliz Aminoliz Vizibil Raze X Radioliz Fotoliz Depolimerizare Raze gama Ultraviolet Solvoliz Ruperea radicalilor Oxidare chimic Oxidare termic

Bombardare cu fascicul de electroni

Degradarea biopolimerilor

Un exemplu semnificativ al degradrii biomaterialului, datorit prelucrrii preimplantului, l constituie sterilizarea prin iradiere cu unde a polietilenei de nalt densitate, utilizat pentru execuia componentelor endoprotezelor. Procesul genereaz radicali liberi n interiorul materialului care reacioneaz cu oxigenul pentru a produce produi de oxidare. Dup ce un dispozitiv a fost implantat, apar fenomenele de adsorpie i absorpie. Suprafeele polimerice, n contact cu lichidele din corp, adsorb imediat componentele proteinice, i volumul ncepe s adsoarb componentele solubile cum ar fi apa, proteinele i lipidele. Elementele celulare se ataaz suprafeelor i iniiaz procese chimice. Cu, componeni biostabili, acest complex de factori este o consecin puin funcional. La o adsorpie de fluid echilibrat, pot aprea plastificri ale polimerului, producnd schimbri dimensionale i mecanice. La suprafa se produce un atac acut i puternic al mai multor ageni chimici, inclusiv enzime.

Biodegradarea hidrolitic

Hidroliza este ruperea grupurilor moleculare susceptibile prin reacia cu apa. Pot fi catalize, baze, sruri sau enzime. Este un proces cu un singur pas n viteza ruperii lanurilor direct proporional cu iniierea reaciei. Este o categorie de hidrolizare a biomaterialelor foarte utilizat, grupurile funcionale constnd n carbonili ce se regsesc n elementele heterolanurilor (O, N, S). Exemplele includ esterii, amidele i carburile. Ali polimeri conin grupuri cum ar fi eter, acetal, nitril, fosfat sau metilen activ ce hidrolizeaz n condiii precise. Viteza de hidroliz tinde s creasc cu o proporie mare de grupuri hidrolizabile n lanul principal sau lateral, alte grupuri polare, care implic cristalinitate sczut, densitate sczut sau neglijabil. Structurile poroase hidrolizabile i pierd repede proprietile speciale datorit suprafeei lor mari. n timp ce greutatea moleculelor polimerilor lineari e posibil s nu aib un mare efect asupra vitezei de deteriorare, pierderile proprietilor fizice pot fi ntrziate pentru un numr dat de reacii de rupere n lan cu polimerii cu molecule mari. Pierderea proprietilor cauzat de clivajul lanurilor este mai pronunat la polimerii cu fore de atracie intermoleculare, slabe.

Biodegradarea hidroliticProcese hidrolitice induse de corpul uman Corpul este un mediu cu reacii foarte bine controlate. Prin intermediul homeostazei, mediul normal al multor implanturi este meninut la izoterm (37 C), neutru (pH 7,4), aseptic, i protejat apoi la fotografiere. Dup standardele in vitro, aceste condiii par a fi blnde. Interaciunile complexe ale componenilor umorali i celulari ai fluidelor din corp implic activatori, receptori, inhibatori, produce rspunsuri agresive la oricare corpuri strine prin intermediul proceselor de adeziune, reacie chimic i transport particular.

Cteva scenarii ce conduc la hidroliza n gazd, trebuiesc luate n consideraie. Mai nti, esenial este ca apa neutr s poat hidroliza cu singuran polimerii, cu o vitez semnificativ. Oricum, acest simplu mecanism nu este semnificativ n compoziiile polimerilor selectate pentru o biostabilitate in vivo, pe termen lung. Apoi, hidroliza ionilor catalizai ofer un scenariu plcut n fluidele corpului. Fluidele extracelulare conin ioni cum ar fi: H+, OH-, Na+, Cl-, HCO , PO , K+Mg2+, Ca2+ i SO .

S-a artat c unii ioni (PO ) sunt efectiv catalizai hidrolitic, sporind, de exemplu, vitezele de reacie ale poliesterilor cu cteva grade de mrire. Cataliza ionilor poate fi un efect de suprafa sau un efect combinat suprafa volum, depinznd de hidrofilicitatea polimerului.

Biodegradarea hidroliticProcese hidrolitice induse de corpul uman

Schimbrile localizate de pH n vecintatea dispozitivelor implantate, care apar de obicei pe durata inflamaiilor i infeciilor acute, pot produce o cretere a vitezei catalitice a hidrolizei. Componenii organici, cum ar fi lipoproteinele, circulnd n snge sau n fluidul extracelular, pare s fie capabili s transporte ionii catalitici inorganici n volumul polimerului de mecanisme puin definite.

Enzimele furnizeaz n general o funcie catalitic clasic, alertnd viteza de reacie (prin transferul de ncrcare sau ioni) fr a fi consumat, prin modificarea energiei de activare dar nu i a echilibrului termodinamic.Aparent enzimele pot interaciona cu segmentele structurale ale polimerilor acoperite cu ser, iniiaz aciunea ei catalitic in vivo. Enzimele cu efect demonstrat n viteza de hidroliz pot fi selective n prezena ctorva grupuri funcionale hidrolizabile.

Biodegradarea hidroliticProcese hidrolitice induse de corpul uman

De exemplu, polieter-uretan-ureea i poliester-uretan-ureea, supuse enzimelor hidrolitice au fost observate pentru viteza i locul hidrolizei. Catalize enzimatice au fost observate n mod evident pentru gruprile esterice n timp ce ureea, uretanul, i grupurile eterice nu au artat hidrolize semnificative. Majoritatea enzimelor exercit n mod predominant efecte de suprafa (superficiale) din cauza mrimii moleculare mari, care mpiedic absorbia, chiar i hidrogenurile, care sunt capabile de absorpia proteinelor. Oricum, cnd suprafaa de degradare devine aspr i fragmentat, aciunea enzimatic poate fi sporit ca rezultat al creterii ariei de suprafa dac substraturile rmn accesibile la celulele fagocite care conin enzime active. Dispozitivele implantate care au o micare relativ, continu cu esutul nvecinat i pot provoca inflamaii, stimulnd realizarea de enzime.

Biodegradarea hidroliticPolimeri susceptibili la biodegradare hidrolitic

n continuare vor fi abordate unele aspecte cu privire la reacia in vivo a unor polimeri cunoscui ca susceptibili la hidroliz.Poliesterii

Teraftalatul polietilenic (PET) rmne o alegere primar n operaiile cardiovasculare pentru protezele vasculare de diametru mare, pansamente articulare, inele pentru valve, etc. Este un polimer cu o mare flexibilitate datorit cristalinitii mari i a orientrii reelei de atomi. Studii sistematice a implanturilor PET (teraftalat polietilenic) arat o vitez de degradare redus. Pentru bandajele de esut implantate subcutanat, absorpia, n timp, de ctre corp se face n 30 7 ani, cu 50% deteriorare a fibrei n 10 2 ani, dup cum a fost proiectat. n cazul implantelor efectuate pe cini ce prezentau infecii, unde pH-ul era de 4,8 , degradarea s-a intensificat exponenial, cu pierderea complet a proprietilor n doar cteva luni. Studiile asupra implantelor umane au artat grefe de o eviden semnificativ. n plus, consecinele patologice evidente ale infeciei i riscul mrit al degradrii polimerului este o cauz a preocuprilor. Poliesterii alimfatici sunt de cele mai multe ori utilizai ca polimeri biodegradabili,

Biodegradarea hidroliticUretanele din poliester

Implantele din poliuretan sunt folosite nc din 1950. Utilizarea lor n chirurgia plastic reconstructiv sau ortopedic a dat, iniial, rezultate pozitive. Inflamaia acut era mic, esutul n cretere fiind ajutat de capsulele fibroase subiri. Oricum, n cteva luni, ele au fost degradate i fragmentate, producnd efecte cronice.

Cauza iniial a degradrii este considerat ca fiind segmentele fine poliadipate care induc hidroliza. Prin comparaie, uretanele din poliester sunt foarte rezistente la hidroliz, n ciuda faptului c sunt mai susceptibile la oxidare. Este bine tiut c implanturile mamale din uretan poliesteric acoperite cu spum siliconic au rezistat ca produse comerciale pn n prezent, n ciuda tendinei lor cunoscute de degradare.Aparent tipul de capsule fibroase formate pe dispozitive ce conin spum degradabil sunt favorizate de unii clinicieni n ciuda implanturilor acoperite cu silicon. La dispozitivele mari, instabile pe esuturile n cretere, efectele friciunii la alunecare pot duce la creterea grosimii capsulei i a concentraiei mpreun cu o inflamaie cronic extensiv.

Biodegradarea hidroliticPoliamidele

Nylon-ul 6 i 6,6 conin un grup de amide hidrolizabile, al fel ca i proteinele. Aceti polimeri sintetici pot absorbi 911% ap, n greutate, la saturaie. Este previzibil, apoi se degradeaz datorit suprafeei catalizate de ioni i hidroliza volumului. n plus, hidroliza se datoreaz catalizei enzimatice conducnd la eroziunea suprafeei. Cantitativ, Nylon 6,6 pierde 25% din fora de tensiune dup 89 de zile, i 83% dup 726 de zile pentru implanturile pe cini. Degradarea poliarilamidelor destinate pentru uz ortopedic a relevat o reacie a corpului fa de implant, fiind observat, dup 4 sptmni, apariia coroziunii pitting, aceasta devenind mai pronunat dup 12 sptmni. Acest rezultat nu a fost prevzut de cnd poliarilamidele sunt foarte rezistente la solveni i cldur. Poliamidele cu segmente lungi de lan din hidrocarbon alifatic sunt mult mai stabile hidrolitic dect lanurile mai scurte de Nylon i corespunztor

Biodegradarea hidroliticPolialchil-ciano-acrilatele

Aceast clas de polimeri, utilizat ca adezivi pentru esut, este remarcabil ca un caz rar n care legturile carbon carbon sunt desfcute de hidroliz. Aceasta se petrece deoarece metilena (-CH2-) n polimer este foarte activat inductiv de electronii grupurilor vecine. Formarea polimerului adeziv din monomeri este mai nti catalizat, cu apa adsorbit pentru ca aderena s fie suficient pentru a iniia reacia. Aadar, apa asociat cu esutul poate induce hidroliza reversibil Knoevenager. Multe condiii de baz i procese enzimatice sunt mult mai eficiente. n mediul embrionar (o surs bogat n varietate de enzime), metilcianoacrilul a fost extensiv degradat n doar 4 6 luni.

Biodegradarea oxidativ

n timp ce se tie multe despre structurile i produii de reacie ai polimerilor susceptibili la biodegradare oxidativ, confirmarea pailor reaciei individuale nu au fost nc demonstrai analitic. Deduciile mecanice sunt posibile din cunoaterea proceselor fiziologice de oxidare i oxidarea polimerului in vitro. Procesele de oxidare ale polimerului pot consta ntr-o reacie homolitic n lan sau un mecanism heterolitic. Specii precum carbonilii, hidroxilii i produii rezultai din ruperea lanului sunt detectabili. Exceptnd natura grupurilor funcionale susceptibile, principiile rezistenei situate n sectorul structurilor polimerilor hidrolizabili sunt adevrate pentru prezicerea rezistenei relative a oxidrii polimerilor. Prile favorabile pentru atacul oxidativ iniial, consistent cu o platform homolitic sau heterolitic, sunt acelea care permit abstracia unui atom sau ion i s asigure stabilizarea rezonanei radicalului rezultat sau ionului rezultat. Peroxizii, carbonilii i ali radicali intermediari sunt stabilizai prin rezonan similar de dezlocalizare a electronilor din elementele C, O, H sau N.

Dou categorii generale de biodegradare oxidativ, bazate pe sursa iniializatoare a procesului, sunt oxidarea direct dintre gazd i dispozitiv sau mediul exterior oxidare mediat.

Biodegradarea oxidativTipuri de biodegradare oxidativ a) Oxidarea direct de ctre gazd. n aceste circumstane, efectele speciilor moleculare generate de ctre gazd sau procesul oxidativ direct poteniat pe polimer. Pe baza unei evidene analitice solide, unii specialiti presupun c astfel de molecule reactive sunt derivate din celule activate rspunznd leziunilor i proprietilor corpurilor strine la implant. Aceste celule, care iau natere n os i populeaz sistemul circulator i esuturile conective, se manifest n dou feluri: neutrofile i monocite. Mai trziu se difereniaz n celule macrofage i celule mari din corpuri strine fenotipuri.

Este nevoie de multe cercetri pentru a elucida evoluia evenimentelor ce conduc la oxidarea fagocitic a biomaterialelor. Cu siguran, analiza proceselor importante cum ar fi prezena corpurilor strine derivate biologic (bacterii i parazii) preint impotan fa de implanturile cu biomateriale.Biomaterialele sensibile chimic pot fi afectate dac se afl n imediata apropiere a zonei de interaciune implant esut. Produsele lor de fuziune pot supravieui de la cteva luni pn la civa ani pe suprafaa implantului. Celulele macrofage rmn n capsulele colagenoase pentru perioade ndelungate.

Biodegradarea oxidativb) Oxidare mediat de mediu. Oxidarea provocat de ionii metalici. Un astfel de proces de degradare oxidativ s-a raportat clinic n cazul uretanului polimeric folosit la regulatoarele cardiace, care necesit condiii foarte speciale de execuie. Condiiile i morfologia de rupere sunt diferite de cele de la ruperea sub tensiune, chiar dac produii oxidrii sunt similari. Biodegradarea dispozitivelor implantate prin fisurare sub tensiune apare ntotdeauna la polimeri pe suprafaa expus celulelor i rezult fisuri caracteristice orientate perpendicular pe vectorul tensiune. Oxidarea provocat de ionii metalici ia locul suprafeelor apropiate din imediata vecintate a componenilor metalici corodai i a produselor lor de coroziune. Pereii fisurii i fisurile microscopice aleatorii orientate sunt indicii care evideniaz o fisur fragil. Produii de degradare care pot fi gsii mai adnc n structur dect fisura datorat tensiunii, sunt i ei indicii ale fisurii fragile. Acest fenomen, numit oxidare indus de ioni metalici, a fost confirmat prin studii in vitro, n care uretanii poliesterici au mbtrnit n soluiile de ioni metalici la poteniale de oxidare diferite. La un potenial de oxidare de aproape + 0,77 , degradarea chimic a fost sever. Sub potenialul de oxidare, schimbrile n polimer erau caracteristicile simplei plasticizri. Aceast tehnic arat i faptul c oxidarea indus de ionii metalici a fost proporional cu coninutul de eter al poliuretanului.

Biodegradarea oxidativ

Efectul diferitelor metale asupra oxidrii, in vitro i in vivo, au fost de asemenea studiate. Ambele tehnici constau n corodarea metalelor i degradarea suprafeelor tuburilor de lumen, n condiii speciale, n doar 30 de zile. In vivo, interaciunea fluidelor corpului cu cobaltul i aliajele sale, n particular, rezult din fisura oxidant a polimerului. Procesul oxidrii induse de ionii metalici implic coroziunea elementelor metalice i ionilor lor precum i ulterior oxidarea polimerului. n dispozitivele de operare, ionii metalici se pot forma prin solvabilitate, coroziune galvanic, sau oxidare chimic sau biochimic. n schimb, aceti ioni metalici dezvolt poteniale de oxidare care pot fi mult mrite de fluidele corpului la peste jumtate din potenialele standard ale celulelor. Oxidarea indus de ionii metalici trebuie s fie o posibilitate ntr-un dispozitiv implantat, cteva apropieri sunt disponibile pentru a controla aceast problem. Ele nu sunt aplicabile universal i trebuiesc incluse doar dac funcionalitatea i biocompatibilitatea sunt reinute. Tehnicile de utilizare poteniale include folosirea metalelor rezistente la coroziune, nlturnd ionii corozivi din polimerul susceptibil, izolnd metalele i polimerul de soliiile electrolitice, ncorpornd antioxidanii apropiai, i utiliznd polimerii rezisteni la oxidare dac sunt disponibili.

Biodegradarea oxidativDegradare oxidativ indus de mediul exterior.

n anumite circumstanele corpul poate transmite radiaii electromagnetice care pot afecta integritatea polimerilor implantai. De exemplu, corneea i umoarea vitroas a ochiului la fel ca i stratul superficial al feei permite trecerea radiaiei ultraviolete A. Absorpia radiaei unltraviolete produce excitarea electronilor care poate duce la degradarea foto-oxidativ. Acest proces a fost sugerat pentru ruperea componenilor polipropilenei n lentilele intraoculare. La endoprotezele i exoprotezele maxilofaciale, elastomerii pot suferi schimbri nedorite ale culorii i ale proprietilor fizice ca o consecin a expunerii la radiaia solar natural. Antioxidanii i absorbanii de ultraviolete asigur o protecie limitat pentru aceste materiale.

Calcifierea

Deteriorarea sau defectarea unor dispozitive medicale implantabile, n special a celor utilizate n sistemul cardiovascular, este cauzat frecvent de formarea depozitelor nodulare de fosfat de calciu sau ali componeni care conin calciu, proces cunoscut sub numele de calcifiere sau mineralizare. Cu toate c depunerea de sruri minerale de calciu apare ca un proces normal n oase i dini, biomaterialele care intr n componena dispozitivelor medicale nu trebuie s se calcifice deoarece depozitele minerale pot interfera cu buna funcionare a dispozitivului medical implantabil. De aceea, calcifierea biomaterialelor este abnormal sau patologic. Calcifierea patologic poate fi de asemenea distrofic sau metastatic. Calcifierea distrofic este depunerea srurilor de calciu pe esuturi distruse sau bolnave, respectiv pe biomateriale, la pacieni care au un metabolism normal n calciu. Calcifierea metastatic este depunerea de sruri de calciu, n esuturi, ca rezultat al dereglrii metabolismului mineral.

Calcifierile distrofic i metastatic pot fi sinergetice, n prezena unui metabolism mineral anormal, calcifierea asociat cu biomaterialele sau cu esuturile anormale este mrit. Calcifierea biomaterialelor poate afecta o varietate de proteze implantate n sistemul circulator, n interiorul esuturilor conective, sau n alte pri ale corpului

Calcifierea

Calcifierea a fost asociat att cu biomaterialele derivate sintetic ct i cu cele derivate biologic. Faza mineral natural a multor calcificri de biomaterial este un fosfat cristalin de calciu, cunoscut ca apatit, care este legat de hidroxiapatita de calciu, mineralul care furnizeaz rigiditatea structural a oaselor i care are formula chimic Ca10(PO4)6(OH)2. n general, determinanii biomineralizrii materialului de implant includ factori legai de metabolismul corpului, i cei legai de structura i proprietile implantului. Mai mult, mineralizarea biomaterialului este sporit n general la margini de deformaiile mecanice intense, cum ar fi punctele de ndoire ale dispozitivelor circulatorii. Calcifierea poate fi potenial n prezena infeciei implantului. Un plus de importan i se acord faptului c, aceasta poate aprea la suprafaa implantului (calcifiere excentric), unde este asociat adesea cu esuturi ataate sau celule, sau n componenii structurali (calcificare intrinsec). n final, mecanismul fundamental al calcifierii patologice are multe similitudini cu mineralizarea normal a osului. De fapt, unii investigatori au explorat calcifierea implantelor din biomateriale pentru a crea noi esuturi dure.

Calcifierea

Modele experimentale de calcifiere:Tipul Calcifierea valvelor bioprostetice ale inimii Sistemul Implant subdermic la obolani nlocuirea valvelor ortotopice Calcifierea poliuretanului Implanturi de inimi artificiale Implanturi de valve polimerice Implant subdermic la obolani Calcifierea hidrogelului Calcifierea colagenului ncrustarea urinar Implant subdermic la obolani Implant subdermic la obolani Incubare in vitro Durata 3 sptmni 5 luni 5 luni 5 luni 2 luni 3 sptmni 3 sptmni Ore pn la zile

Implanturi in vivo

10 sptmni

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea Depozitele calcificate sunt studiate folosind combinaii de tehnici chimice i morfologice. Tehnicile morfologice ajut la conturarea distribuiei depozitelor calcifiate microscopice i ultrastructurale, iar tehnicile chimice servesc la identificarea i dozarea volumului constituenilor minerali i a fazei minerale cristaline. Unele metode morfologice permit determinarea cantitilor n anumite locuri.

Aceasta este de dou tipuri: a. evaluare morfologic b. evaluare chimic

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea morfologic

Distribuia morfologic a calcificrilor a fost analizat cu un numr de tehnici bine dezvoltate, tehnici care i-au demonstrat eficiena i care au cea mai mare cuprindere de la examinrile directe mari (grosiere) sau raze X a protezelor expuse la tehnici sofisticate cum ar fi spectroscopia electronic. Fiecare tehnic are avantaje unice, combinnd cteva asemnri este posibil s se ajung la o nelegere a compoziiei i structurii fiecrui tip de calcificare. Urmtoarea examinare grosier atent, adesea sub un microscop de putere mic, a fost folosit pentru evaluarea distribuiei mineralului ntr-o bioprotez a valvei inimii i a sistemelor ventriculare. Tehnica utilizat implic plasarea protezei pe un film de raze X i expunerea acestuia la un fascicol de raze X la un nivel energetic de 35 KV, pentru 2 minute, ntr-un dispozitiv special de raze X, utilizat pentru mostre mici. Mineralizarea apare evideniat pe o diafragm, sub forma unei imagini strlucitoare.

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea morfologic

Microscopia luminoas a esuturilor calcifiate are o utilizare larg. Identificarea mineralului este facilizat prin intermediul folosirii unor colorani specifici de calciu i fosfor, cum ar fi alizarina roie, pentru calciu, i von Kossa pentru fosfai. Aceti colorani sunt cei mai folositori pentru confirmarea i caracterizarea zonelor suspecte de calcifiere prin tehnicile coloranilor n ordinea stabilit. Tehnicile de microscopie optic, care presupun bombardarea cu fascicule de electroni, cu o focalizare nalt au multe de oferit n caracterizarea calcificrilor cardiovasculare. Analiza cu dispersie de raze X permite o examinare semiconstitutiv a creterii depozitelor de calciu i fosfat, n mod specific. Analizele microscopice de transmisie electronic, a ultrastructurii calcificrilor faciliteaz de asemenea nelegerea poziionrilor iniiale ale cristalelor calcice. Acestea au fost considerabil utilizate pentru investigarea calcifierii bioprotezelor pentru valvele inimii. Proba microelectronic sau, mai recent, spectroscopia electronic cu pierdere de energie (EELS) sunt tehnici care cupleaz microscopia de transmisie electronic cu analize elementare de nalt sensibilitate. Aceste tehnici furnizeaz cele mai nsemnate nelesuri pentru localizarea locurilor nucleaiilor ultrastructurale a depozitelor de fosfai de calciu.

n general cele mai sensibile i sofisticate tehnici morfologice necesit pregtiri foarte

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea chimic

Este important dozarea calciului i fosforului n calcifierea biomaterialelor, pentru a face comparaii relevante n funcie de severitatea depunerii i eficacitii msurilor preventive. Tehnicile care au fost utilizate pentru analizarea, testarea volumului de mineral la fel de bine ca i dezvoltarea fazei minerale n oase poate fi folositoare pentru biomateriale. Analizele speciilor de mineral sunt cel mai bine preparate sub form de pudr uniform att prin achierea lor n azot lichid sau n final meninerea prin ngheare uscat.

Calciul a fost dozat prin folosirea spectroscopiei atomice de absorpie a esuturilor prin hidrolizare acid. Mrunirea eantioanelor ntr-un cuptor cptuit este un alt mijloc pentru prepararea, pregtirea materialelor esplantate de calciu i fosfat pentru analize. Fosforul, ca fosfat, este de obicei dozat folosind o tehnic complex cu detecie spectrometric.aa cum s-a menionat mai sus, fosfaii de calciu cristalini, cum ar fi hidroxiapatita, au devenit depozitele actuale de material. Tipul formei cristaline a fosfatului de calciu poate fi determinat cu difracia de raze X.Analizele pulberii, folosind o camer Debye-Scherer necesit alctuirea minim a materialului i furnizeaz o difracie de raze X produs de rotirea specimenelor n tuburi capilare printre fascicolul de raze X n prezena unei imersii fotografice. n plus, monstrele pot fi de asemenea analizate pentru coninutul n carbonal fazei minerale, folosind spectroscopia cu infraroii.

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea chimicAu fost investigate 3 strategii cu prevenirea calcifierii implanturilor biomateriale: terapia sistematic cu ageni de anticalcifiere; terapia local cu dispozitive implantabile; modificri ale biomaterialelor prin ndeprtarea componenilor calcificabili, adiii cu agent exogen.

Investigaiile n strategia anticalcifierii nu numai c au demonstrat eficacitatea terapiei, dar i absena efectelor adverse. Efecte adverse ar fi putut include toxicitii la nivel local sau sistemic, tendine ctre tromboze, inducerea de efecte imunologice sau degradare, cu pierderi immediate i progresive ale proprietilor mecanice sau de stabilitate. Un dezavantaj al folosirii sistematice a agenilor de calcifiere pentru prevenirea calcifierii patologice este efectul asupra osului, conducnd insuficienta formare a scheletului de fosfat de calciu.Pentru a evita acest lucru, realizrile recente pentru prevenirea calcifierii bioprotezelor de la valvele inimii s-au bazat fie pe modificarea biomaterialelor, fie pe introducerea unui sistem adiacent cu proteza. Dar nici una din aceste metode nu

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea chimic

Pre-tratamentul cu produse de curat a protezelor valvei inimii previne calcifierea att la implanturile subcutanate ct i la cele circulare. Mecanismul de aciune al acestui tip de micorare nu a fost stabilit, dar el poate s cauzeze dezmembrarea, disocierea i sfrmarea celulelor derivate, acestea contribuind la dezvoltarea leziunilor calcifiate. Pre-tratamentele s-au artat a fi numai parial eficace n circulaie, poate datorit reabsorpiei fotolipidelor de ctre snge i, astfel ntrziind aparent nceputul calcifierii. Folosirea medicamentelor cu specific anticalcifiant este o alt cale important n prevenirea calcifierii biomaterialelor. Bifosfaii sunt componeni sintetici care inhib formarea hidroxiapatitei in vivo i in vitro. Totui, eficacitatea terapiei cu bifosfai are efecte ntotdeauna asupra oaselor. Aceasta are loc datorit mecanismelor similare de calcifiere a bioprotezelor esutului i osului. Efectele adverse cauzate de bifosfai sunt evitate complet prin folosirea altor polimeri controlai pe post de co-implanturi sau prin legarea covalent a acestor ageni, cum ar fi aminobifosfaii.

Evaluarea i prevenirea calcifierii biomaterialelorEvaluarea chimic

Procesul controlat de producere a etanhidroxidifosfat-ului (EHDP) folosind un sistem polimeric, a fost eficace n aezarea subcutanat pentru prevenirea calcifierii bioprotezei valvei inimii cu administrri locale de medicamente, dar nu i s-a artat nc eficacitatea n circulaie. Producerea controlat a EHDP poate fi susinut pentru extrapolarea duratei la mai mult de 30 ani, prin folosirea unei soluii nesaturate de sare de calciu a EHDP n matrice. Legtura covalent dintre difosfai i poliuretan poate preveni n aceeai msur calcifierea implantului. Alt cale potenial folositoare n prevenirea calcifierii implic folosirea ionilor metalici specifici care sunt inhibitori. Pretratamentul protezelor inimii cu Al3+ a demonstrat prevenirea mineralizrii implanturilor fr a genera efecte secundare. Aceast cale a fost sugerat prin observarea pacienilor cu boli ale rinichilor, cu oase insuficient calcefiate. Mecanismul de acionare al calcefierii inhibitorilor cu Al3+ a artat o inhibare a creterii cristalelor de hidroxiapatit. Ali cationi metalici care au artat c inhib cristalizarea hidroxiapatitei, cum ar fi Fe3+, Ga3+ i Cd2+, pot fi folositori n aceeai msur.

Exemple de calcifiere a unor dispozitive medicalea) Calcificarea valvelor inimii

Calcifierea valvelor inimii este cel mai important exemplu al disfuncionalitii unui dispozitiv medical datorit calcifierii biomaterialului.Aproape toate valvele de inim bioprotetice recuperate n urma operaiilor s-a constatat fie c au avut picturi, fie c erau rigidizate, datorit calcifierii intrinseci. S-a observat faptul c procesul de calcifiere este mai pronunat n regiunile de ndoire ale vrfurilor, n punctele de tensiuni maxime de funcionare ale valvelor. Calcifierea poate conduce la defectarea protezelor, ca rezultat al disfunciunii valvei sau a deteriorrii peretelui aortic datorit depozitelor de mineral. Calcifierea valvelor se presupune c este condiionat de tipul de procedur de sterilizare utilizat.

Degenerarea calcifierii valvelor bioprostetice

ale inimii, pretratate cu glutaraldehid este cel mai important exemplu al disfuncionalitii chimicea unui dispozitiv medical conducnd la calcifierea biomaterialului.

Exemple de calcifiere a unor dispozitive medicaleb) Calcifierea vezicii urinare polimerice Depunerea de cristale calcificate pe suprafeele flexibile ale vezicilor limiteaz longevitatea funcional ale pompelor de snge compuse din poliuretan i utilizate ca sistem de asisten ventricular sau inimi artificiale.

Rigiditatea cauzat de depozitele de minerale poate duce la deteriorarea pompelor sau valvelor, prin pierderea fiabilitaii sau iniierii picturilor, sau amndou. Calcifierea pompelor de snge, n funcie de tipul de poliuretan utilizat, predomin n general de-a lungul zonelor de flexiune a diafragmelor, la jonciunea diafragmelor, zona de flexiune a aprtorului sau diafragmei cilindrice, indicnd aceti factori mecanici i joac un rol foarte important.Calcifierea componentelor pompei de snge poate fi intrinsec sau extrinsec. Depozitele de calciu sunt frecvent asociate cu defecte microscopice de suprafa, poate din fabricaie, ca rezultat al tensiunilor mediului sau ca efecte mecanice, conducnd la fisurare. S-a emis ipoteza c aceste defecte de suprafa pot servi ca locuri preferate pentru depozitele de calcifiere la suprafeele polimerului. Dac celulele de snge degradate i componentele lor subcelulare scap n aceste caviti microscopice devin calcificate, procedeul numindu-se calcifiere extrinsec.

Exemple de calcifiere a unor dispozitive medicalec) Calcifierea n dispozitivele contraceptive intrauterine (IUD)

Calcifierea dispozitivelor contraceptive intrauterine a fost considerat principala cauz a disfucionalitilor ce conduc n cele din urm la desprinderea dispozitivului sau la pierderea contraceptivitii. Acumularea de calciu pe dispozitivele de acest tip din cupru poate preveni formarea de ioni de cupru, schimbnd astfel eficacitatea mecanismelor (dispozitivelor), din moment ce cuprul este un element important pentru prevenirea concepiei. n mod analog, depozitele de calciu care se interpun cu eliminarea unui agent activ pot fi de asemenea o problem pentru eliminarea de hormoni a sistemelor IUD. Studierea implanturilor extrase de IUD, folosind microscopia optic de transmisie asociat cu analize microscopice de raze X, au artat c, n realitate, toate dispozitivele examinate variaz privind depunerea de calciu. Dispozitivele IUD care funcioneaz pentru perioade mari de timp au cantiti mai mari de depuneri, cu toate c acumularea de pe dispozitive este mai mic, care elibereaz hormoni de contracepie.

Exemple de calcifiere a unor dispozitive medicaled) Calcifierea pe lentilele de contact

Depozitele de fosfat de calciu conduc la opacizarea lentilelor de contact, care sunt confecionate din HEMA (poli-2-hidroxietimetilacrilat). Calciul coninut de lacrimi este considerat ca fiind sursa depozitelor gsite pe lentilele de contact confecionate din HEMA. Depozitele de calciu se mresc progresiv n timp, iar ndeprtarea lentilelor devine imposibil fr distrugerea lor. Nici un material destinat fabricrii lentilelor de contact, care este disponibil pn acum, nu poate nltura aceast problem, cu toate c lentilele fabricate din metacrilat poliglicerilmetilic se comport mult mai bine dect cele confecionate din HEMA. n mod similar, condiiile sistemice i optice de mbuntire pot de asemenea ajuta n identificarea la pacient a riscului de degradare a lentilelor i mbuntirea materialelor de confecionare a lentilelor, cu intenia de a obine biomateriale mai rezistente la procesul de calcifiere.

Exemple de calcifiere a unor dispozitive medicalee) Acoperirea cu crust a endoprotezelor urinare

Dezvoltarea utilizrii endoprotezelor polimerice pentru a alina obstruciile urinare au supus ateniei frecventele formri de cruste minerale pe suprafaa acestor dispozitive. Aceste probleme au fost observate att la implatele pe femei ct i la cele pe brbai, precum i n cazul uretrelor artificiale. Crustele pot duce la obstrucionarea dispozitivelor urinare conducnd astfel la eecul lor.

Depunerea de cristale calcificate pe suprafeele flexibile ale implantelor ureterale limiteaz longevitatea funcional a acestora. Calcifierea, n funcie de tipul de poliuretan utilizat, predomin n general de-a lungul zonelor de flexiune, indicnd faptul c i factorii mecanici influeneaz acest proces. Exist i ipoteza c defectele de suprafa pot servi ca locuri preferate pentru depozitele de calcifiere la suprafaa polimerului. Crustele minerale conin att hidroxiapatite ct i fosfai minerali cu

Testarea proprietilor biologiceConform principiilor generale enunate, se convine s se aplice urmtoarele principii metodelor de evaluare biologic a dispozitivelor medicale:

a) testele trebuiesc efectuate pe produsul finit sau eantioane reprezentative ale produsului finit sau ale materialelor; b) alegerea metodelor de testare trebuie s in seama de: natura, gradul, durata, frecvena i condiiile de expunere sau de contact cu suprafeele corpului uman cu dispozitivele n utilizarea normal prevzut; natura fizic i chimic a produsului finit; potenialul toxic al componentilor chimici n formula produsului finit; faptul c anumite teste (de exemplu cele destinate s estimeze efectele sistemice) pot s nu fie aplicabile n absena substantelor extractibile, sau atunci cnd aceste substane extractibile au un caracter toxic cunoscut i acceptabil; relaia dintre suprafaa dispozitivului i talia corpului celui cruia i este aplicat; informaia existent bazat pe literatura, experiena i testrile preclinice; protecia omului ca prim scop al acestui document; al doilea scop este legat de protecia animalelor de experien, reducerea numrului i expunerii ale animalelor.

Testarea proprietilor biologice

a) Dac se prepar extracte din dispozitive, se convine ca solvenii i condiiile de extracie utilizate s fie corespunztoare naturii i utilizrii produsului finit; b) Martorii pozitivi i negativi s se efectueze atunci cnd sunt necesari. Dat fiind c nici un rezultat nu se poate asigura contrar unui potenial de risc biologic, se convine ca, n investigaiile biologice efectuate, s fie observate cu atenie reaciile adverse neateptate sau incidente, constatate la pacientul uman, n timpul utilizrii clinice a dispozitivului.

Metode de testare a caracteristicilor de biocompatibilitate

Procedeele experimentale recomandate, avnd ca scop evaluarea biocompatibilitii unui material, in cont de tendina lui degradare, de interaciunea lui cu mediul nconjurator n condiiile reale de expunere care duc la deteriorarea celor dou componente. Din pcate, msurtorile experimentale sunt limitate pentru c, dei exist metode puternice pentru examinri in vitro, realizarea condiiilor modelului de experimentare in vitro, astfel nct s fie ct mai aproape de condiiile in vivo reale este foarte greu i uneori chiar imposibil datorit compoziiei extrem de complexe a mediului real. Substanele prezente n concentraii foarte mici joac un rol important n comportarea degradrii biomaterialului metalic. Acest lucru se aplic urmtoarelor specii : speciilor care formeaz compleci puternici cu ionii metalici; speciilor care influeneaz proprietile redox ale sistemului; speciilor care modific comportarea la frecare i uzur.

Metode de testare a caracteristicilor de biocompatibilitate

Analizarea tendinei de degradare a biomaterialelor metalice ar trebui s conin urmtoarele etape de examinare, care sunt caracterizate de o scdere a cantitii de materiale utilizate: analizarea coroziunii in vitro i a uzurii ntr-un mediu anorganic; analizarea coroziunii in vitro i a uzurii ntr-un mediu mixt organic-anorganic; analizarea folosind culturi de celule i de organe; analizarea in vivo bazat pe implantare n organisme animale.

n timpul ultimilor ani multe activiti au avut ca scop combinarea avantajelor metodelor de msurare electrochimic n timp real, concomitent cu observaiile biologice celulare (Schade i Liefeith, 1995). Prin urmare, Liefeith (1994) i Hildebrand (1995) au dezvoltat un sistem de msurare cu ajutorul crora testele de coroziune in vitro pot fi efectuate n electrolii biologici. O extensie a acestui sistem ca un bioreactor ofer informaii despre adeziunea celulelor folosind microscopie fluorescent. Cu ajutorul spectroscopiei fluorescente induse de laser, este posibil s se evalueze condiiile fiziologice ale organismelor testate.

Evaluare a biocompatibilitii, n funcie de categoriile de dispozitive i efectul biologic indus.Categoriile de dispozitive Contactul cu corpul Citotoxicitate Durata contactului: A-limitat (24 h spre 30 zile) C-permanent (>30 zile) Efectul biologic Toxicitate sb-cronic (sub-acut) Toxicitate sistemic (acut) Iritaie sau reacie intercutanat Compatibilitate hematic

GenotoxicitateX X

Dispozitivele de suprafa

Piele

Membrane mucoase Suprafee deteriorate

Dispozitive care comunic cu exteriorul

Cale sangvin, indirect

Comunicare prin esut/os/dentin Snge care circul esut/os

Dispozitivele implantate

Snge

A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C

X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X

X

X

X X X

Implantare X X X X X X X X

Sterilizare

X

X X X

X X X

X X X X

X X X

X

X X X X

X X

X X X

X X X

X

X X

X X X

Laborator biologie celular

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(A). Teste de evaluare iniial1. Citotoxicitate Prin utilizarea tehnicilor de cultur celular, aceste teste determin liza (moartea) celular, inhibiia creterii celulare i alte efecte asupra celulelor provocate de dispozitivele, materialele i/sau extractele lor. 2. Sensibilizare Aceste teste evalueaza pe un model corespunztor, probabilitatea sensibilizrii la contactul cu materialele, dispozitivele i/sau extractele lor. Aceste teste sunt adecvate, cci o expunere sau un contact chiar i n cantiti minime de substan potenial extractibil, poate s conduc la reacii de sensibilizare sau alergie. 3. Potenial iritant Aceste teste evalueaz potenialul iritant al dispozitivelor, materialelor i/sau extractele lor, utiliznd zone corespunztoare sau esuturi de implantare ca pielea, ochiul i mucoasele, pe un model adecvat. Testul (testele) realizat(e) trebuie s adapteze zona de aplicare (piele, ochi, mucoas) i durata expunerii cu scopul de a determin efectele

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(A). Teste de evaluare iniial4. Reactivitate intracutanat

Aceste teste evalueaz reacia local a esutului la extracte cu dispozitiv. Ele sunt aplicabile atunci cnd determinarea potenialului iritant prin testri cutanate sau pe mucoase sunt neadecvate (de exemplu, pentru dispozitivele cu acces la circuitul sanguin). De asemenea, aceste teste pot fi utile atunci cnd substanele extractibile sunt hidrofobe.

5. Toxicitate sistemic (acut)

Aceste teste evalueaz pe un model animal potenialele efecte duntoare datorate expunerii unice sau multiple, ntr-un timp mai mic de 24 h, a dispozitivelor, materialelor i/sau al extractelor lor. Ele sunt adecvate atunci cnd contactul antreneaz o absorbie posibil de substan extractibila toxic i produsele de degradare. Testele de pirogeniticitate sunt incluse pentru a detecta pirogeniticitatea extractelor, dispozitivelor sau materialelor. O singur testare nu poate diferenia

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(A). Teste de evaluare iniial6. Toxicitate subcronic (subacut)

Aceste teste determin efectele unei expuneri simple sau multiple a dispozitivelor, materialelor i/sau extractelor lor pe o perioad de timp de cel puin 24 h, la cel mult 10% din durata de via a animalului de experien (de exemplu, pn la 90 zile).

7. Genotoxicitate

Aceste teste utilizeaz culturi de celule de mamifere sau nemamifere, sau altfel de tehnici pentru a deternima mutaiile genetice, modificri ale numrului i structurii cromozomiale precum i alte efecte toxice asupra ADN-ului sau genelor, provocate de ctre dispozitivele, materialelor i/sau extractele lor.

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(A). Teste de evaluare iniial8. Implantare

Aceste teste evalueaz efectele patologice locale asupra esuturilor vii, att la nivel macroscopic ct i microscopic, ale unui eantion de material sau produs finit plasat sau implantat ntr-o zon de implantare sau un esut corespunztor pentru aplicaia prevazut. Se convine ca aceste teste s fie adaptate zonei i duratei de implantare. Pentru un material, aceste teste sunt echivalente celor de toxicitate subacut, dac se studiaz i efectele sistemice.

9. Hemocompatibilitate

Aceste teste evalueaz, pe un model sau sistem corespunztor, efectele dispozitivelor sau materialelor n contact cu sngele, asupra sngelui sau componentelor sanguine. Testele specifice de hemocompatibilitate pot fi, de asemenea, imaginate pentru a simula geometria, condiiile de contact i dinamica fluidelor, n dispozitivul sau materialul supus aplicaiilor clinice. Testele de hemoliz determin gradul de liz a globulelor roii i eliberarea hemoglobinei provocat de

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR

(B). Teste de evaluare complementar

1. TOXICITATE CRONIC Aceste teste determin efectele unei sau mai multor expuneri ale dispozitivelor, materialelor i/sau extractelor lor pe durata unei perioade de cel puin 10% din durata de via a animalului de experien (de exemplu, peste 90 de zile pentru obolan). Se convine ca aceste teste s fie adaptate zonei de aplicare i duratei de expunere.

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(B). Teste de evaluare complementar

2. CARCINOGENITATE

Aceste teste determin potenialul onconogen al dispozitivelor, materialelor i/sau extractele lor, n urma unei sau mai multor expuneri sau contacte pe o perioad de timp acoperind toat viaa animalului supus testrii. Aceste teste pot fi concepute n scopul examinrii toxicitii cronice i caracterului oncogen n cursul unui experiment. Testele de carginogenitate nu sunt n general efectuate dect dac exist rezultate care converg i care provin din alte surse. Se convine ca aceste teste s fie adaptate zonei de aplicare i duratei de expunere.

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR

(B). Teste de evaluare complementar

3.TOXICITATEA ASUPRA REPRODUCERII I DEZVOLTRII (CRETERII) Aceste teste evalueaz efectele poteniale ale dispozitivelor, materialelor i/sau extractele lor asupra funciei de reproducere, dezvoltrii embrionare (teratogenitate) i dezvoltarea prenatal i postnatal precoce. Testele de toxicitate sau testele biologice asupra reproducerii i creterii nu sunt n general efectuate dect n cazul unde dispozitivul are o posibilitate de impact asupra capacitii de reproducere a subiectului. Trebuie s se in seama de locul de aplicare a dispozitivului.

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR(B). Teste de evaluare complementar

4. BIODEGRADARE

Atunci cnd exist posibilitatea de degradare i/sau resorbie, aceste teste pot pune n eviden procesele de absorbie, distribuie, biotransformare i eliminare a substanelor extractibile i produsele de degradare a dispozitivelor, materialelor i/sau extractelor lor.

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELORMedii de testare utilizate pentru simularea mediului uman Medii anorganiceCercetrile folosind medii de testare pur anorganice reprezint cele mai simple teste i ajut cel puin la nelegerea comportamentului degradrii a biomaterialelor metalice. Totui, poate fi fcut o evaluare preliminar cu privire la rezistena la coroziune pitting, urmat de o selecie a materialelor. Mediile anorganice uzuale sunt urmtoarele: soluie izotonic de NaCl: 9 g l-1 NaCl; soluie fiziologic Ringer, pH 6,7 (Roche, 1993): 8,00 g l-1 NaCl 0,20 g l-1 CaCl2 0,20 g l-1 KCl 1,00 g l-1 NaHCO3 soluia fiziologic Ringer este adesea folosit n versiunea acid (pH mai mic de 2,5 prin adugarea de HCl) pentru a simula scderea pH-ului cauzat de procesele inflamatorii. soluie salin echilibrat Hanks, pH 7,4 (Hanks i Wallace, 1949): 0,185 g l-1 CaCl2 0,40 g l-1 KCl 0,06 g l-1 KH2PO4 0,10 g l-1 MgCl26H2O 0,10 g l-1 MgSO47H2O 8,00 g l-1 NaCl 0,35 g l-1 NaHCO3 0,48 g l-1 Na2HPO4 1,00 g l-1 D-glucoza o soluie similar cu concetraii reduse de ioni Ca i HPO a fost propus de asemenea de Hanawa i Ota (1991).

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELORMedii anorganice-organice Saliv artificial (Elagli, 1993); Ser bovin (Browne i Gregson, 1994; Good, 1996); Mediul Eagle modificat (MEM) (Lacy, 1996); Mediul Eagle modificat de Dulbecco (DMEM) (Lacy, 1996).

Linii de celule i culturi de organe Cercetrile pe linii de celule i culturi de organe sunt situate la grania dintre testele de degradare i cele de biocompatibilitate. Experimentele de acest tip reprezint o legtura important ntre analizele clasice in vitro i cele in vivo. S-a ajuns la concluzia c analizele pe culturi de organe sunt mai relevante dect analizele pe linii de celule. Relevana rezultatelor acestor tipuri de teste este puternic influenat de tipul liniilor de celule folosite. Liniile permanente au avantajul comparrii rezultatelor din diferite laboratoare fr nici o dificultate . Culturile de celule primare au avantajul proprietilor mult mai aproapiate de cele ale biosistemului complet. De aceea, rezultatele sunt i mai elocvente. Recent, a fost observat o deschidere mai mare spre folosirea culturilor de celule primare. Tabelul 3.3 arat o imagine sumar a acestor studii recente. Totui, aceste cercetri arat cteva dezavantaje, cum ar fi acela c potenialul redox al biosistemului complet nu este acelai cu cel din culturi. Evalurile experimentelor pe linii celulare pot fi fcute n moduri diferite. n timp ce n anumite cazuri sunt analizate doar forma i adeziunea celulelor, n alte cazuri se studiaz i comportamentul de proliferare i modificare a structurii organelor, dar i evaluarea sintezei

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELOR

Vedere generala a liniilor de celule permanente folosite frecventCulturi de celule permanente MG 63 Balb/c 3T3 MOLT 4 X3T3 F10

Caracteristici Asemntoare celulelor osteoblastice umane (Martin, 1995) Celule fibroblaste (Wataha, 1993; Richards, 1995; Grant 1996) Asemntoare celulelor fibroblaste umane (Berstein, 1992) Keratinocite (Lacy, 1996)

TESTAREA BIOLOGIC A BIOMATERIALELORVedere general a liniilor de celule primare folosite frecventCulturi de celule primare Celule umane de mduv osoas Celule umane derivate din os Celule umane fibroblaste gingivale Aplicare Rspunsul la produii de coroziune Co-Cr Fixare i adeziune Fixarea iniial a celulelor pe diferite materiale Structura i chimia suprafeelor de titan Topografia suprafeei de titan Efecte comparative ale Ninitolului, Ni i Ti Rspunsul la diferii cationi metalici Expresia genelor pentru fenotipul celular indus de proteine pe Ti6Al4V, hidroxiapatit i polistiren Caracterizarea suprafetelor implanturilor de titan Efectele procedurii de scalare pe titan Distrugerea celulelor cauzat de contactul direct cu aliaje Interaciunea cu titanul Potenialul osteogenic al acoperirilor Ca/P

Celule osteoblaste din partea de sus a craniului de obolan Celule epiteliale gingivale de obolan Celule fibroblaste de obolan

Celule de mduva osoas de obolan