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
