Curs 1 Notiuni Generale Biomateriale

8/13/2019 Curs 1 Notiuni Generale Biomateriale

1/47

Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Chimie Aplicati tiina Materialelor

BIOMATERIALE

NOIUNI GENERALE


2/47

Clasificarea materialelor, considernd criterii diferite

(compoziie, proprieti, utilizri);escr erea, compararea, eva uarea a egerea

biomaterialelor care ndeplinesc funcii de utilizaredefinite;

Proiectarea rutei de procesare potrivite, pentru ocompoziie dat, n vederea obinerii structurii itexturii adecvate, considernd o anumitfuncie de

utilizare n domeniul biomedical; Selectarea i utilizarea metodelor experimentale

ceea ce privete proprietile specifice, definitoriipentru domeniul de utilizare), precum i


3/47

Corelarea noiunilor fundamentale compoziie

procesare proprieti;zarea voca u aru u n c spec c omen u u ,

n vederea comunicrii eficiente, n scris i oral; Operarea cu mijloace de informare i comunicare,

n mod pro-activ i responsabil, n vederea realizriiunui proces independent de nvare i investigaretiinificn domeniu;

Identificarea de soluii creative pentru problemelespecifice biomaterialelor.


4/47

Domeniul Biomaterialelor moderne este prea nou

pentru ca o istorie formalsfi fost deja scris. Romanii, chinezii sau aztecii foloseau aur pentru

refacerea dinilor cu 2000 de ani n urm.

menionai n istorie.

descoperitla o

mumie egiptean


5/47

n 1838 Elias Wildman a realizat primii dini din

porelan. n 1886 H. Hansmann experimenteaz utilizarea

plcilor din oel placate cu Ni pentru fixarea fracturilorosoase.


6/47

La nceputul secolului XX s-au descoperit i

sintetizat materialele plastice, multe testebiomateriale. n lumina cunotinelor pe care le avem astzi, multe

. Polimetil metacrilatul PMMA a fost introdus nstomatologie n1937. -

PMMA din alctuirea tunurilor au intrat accidental nochii soldailor, artnd c exist materiale care

provoaco reacie slaba esuturilor. Dup cel de-al doilea rzboi mondial Voorhees a

experimentat utilizarea pnzei de paraut pentrurealizarea protezelor vasculare.


7/47

n 1920 a fost injectat o suspensie 5% de

fosfat tricalcic n osul radial al oarecilor. Ana ize e ra iogra ice au re evat c e ectu injectat

cu fosfat tricalcic a avut o cretere osoasmai rapidi o legare mai bundect proba martor.

Prima bioceramictestatpe scarlarga fostipsosul.

secolului trecut.

O etapimportantn folosirea ipsosului n chirurgia, -umplerea cu succes a unei caviti tibiale cauzatdeun abces.


8/47

Anul 1963 este foarte important din punct

de vedere al istoriei bioceramicii. n acel an, s-a raportat dezvoltarea unui nou

sistem ceramic pentru reconstituirea osoas,

rinepoxi. Acest material imit caracteristicile fizice ale

.


9/47

n continuare cercetrile s-au diversificat i pe lngdezvoltarea bioceramicii aproape inerte la nceputulanilor 70, o nou direcie a aprut n domeniuloma er a e or.

Hench (1972) i colaboratorii au proiectat un sistemcompoziional n care au fost preparate sticle cu

2 2 5 2 . Aceste sticle, implantate n femurul oarecilor, nu maiputeau fi extrase dupnumai 6 sptmni in vivo.

implanturi, n chirurgia reconstructivmaxilo-facial.


10/47

Milioane de proteze ortopedice realizate din materiale

bioinerte au fost implantate, pn la 85% dintre elenre istrnd o duratde via de 15 ani. Realizate din aliaje metalice, polimeri sau ceramici

bioinerte. Cre terea mediei de via a o ula iei n era

modern, conduce la necesitatea proiectrii unorimplanturi a cror duratde viasdepeasc30de ani.

Este necesar schimbarea filozofiei n

abordarea cercetrilor urmrindu-sedezvoltarea de materiale care spermitnunlocuirea esuturilor, ciregenerareaacestora!


11/47

Este necesar schimbarea filozofiei nabordarea cercetrilor urmrindu-sedezvoltarea de materiale care spermitnu nlocuirea esuturilor, ci

regenerareaaces ora

pe noiuni din domeniile tiinei materialelor i

mecanicii, ctre repararea biologic au ur r, r u u r u z rmecanismelor biologiei celulare.


12/47

Nanotehnologiilesunt una dintre descoperirile cheieale secolului XXI, acestea deschiznd noi oportuniti

Operarea la nivel nanometric, aa cum organismelevii funcioneaz, deschide calea ctre realizarea unornoi biomateriale cu noi a lica ii:

o ingineria esuturilor;o eliberarea controlat a medicamentelor sau a altorsubstane;

o tratarea cancerului;o aducerea oxigenului n esuturi distruse, etc.


13/47

Nanotehnologiilesunt una dintre descoperirile cheieale secolului XXI, acestea deschiznd noi oportuniti

Este astfel posibildezvoltarea de noi materiale, cuproprieti mbuntite, n ceea ce privetebiocom atibilitatea caracteristicile fizico-mecanice i

chimice; Se pune accentul pe imitarea naturii n preparareamaterialelor cu aplicaii biomedicale, i nu numai;

Se vorbete despre nanoroboi, nanosenzori, etc.


14/47

Dezvoltarea domeniului biomaterialelor este

condiionat i de descoperirile n alte domenii,i n special de cele n tiinele medicale. 1860 1870, J. Lister: tehnici chirurgicale

aseptice; 1958, S. Furman, G. Robinson: prima stimulare

car c rec , rea za cu succes; Anii 70, W. J. Kolff: implant cardiac total.


15/47

Din punct de vedere istoric, materialele folosite

pentru aplicaii clinice au fost iniial proiectate. Rata creterii cifrei de afaceri globale n

este n medie de 7-12% pe an, ceea ce denoto ascensiune importanta domeniului.


16/47

Domenii de cunotine necesare pentru dezvoltarea BIOMATERIALELOR

DOMENIU CUNOTINE

tiina i

in ineria

materialelor sintetice i biologice, printre care

metale, materiale ceramice, polimeri, compozite,materialelor

,proiectarea i dezvoltarea de materiale cuproprietile dorite, n funcie de aplicaii, etc.

Biologie i Biologie celular i molecular, anatomie,fiziologie animal i uman, histopatologie,chirurgie experimental, imunologie, etc.

tiinemedicale

obstetric i ginecologie, oftalmologie, ortopedie,otorinolaringologie, chirurgie plastic ire aratorie chirur ie toracic i cardiovascularmedicin i chirurgie veterinare, etc.


17/47

ACIUNEA

Identificarea nevoii

tratarea unei boli

nlocuirea unui organ

FACILITATOR

Medic, dentist

Cercettor

Inventator

IDEE

cosmetic

Design-ul dispozitivului

Sinteza materialului

Inginer, fizician, chimist

Inginer

Testarea materialului

proprieti mecanice

toxicologiebiocompatibilitatea (proteine, celule, esuturi)

Bioinginer

Inginer mecanic

BiochimistVeterinar

biostabilitatea (mecanic, chimic)

Fabricaie

Sterilizare i m achetare

Inginer, tehnolog

Bioinginer, designer industrial

Testarea dispozitivelor

toxicologie

biointeraciunea in-vitrotestarea pe animale

Bioinginer

Medic, dentist

Aspecte formale

aprobarea de introducere pe piastudii clinice limitate

ncercri clinice

Experi aspecte formale

Legislativ

urm r rea pe ermen ung

Utilizarea clinic

Analiza explantelor

Medic, dentist, optometrist

inventarierea explantelor

examinarea patologic

testarea n vederea determinrii motivelorpentru distrugere

Anatomopatolog

Bioinginer

PACIENT


18/47

Un biomaterial este orice material sintetic

utilizat entru a restabili sau nlocui func iaunui esut i care vine n contact cu fluidelefiziologice n mod continuu sau intermitent.

Aceast definiie exclude materialele utilizatepentru realizarea instrumentelor chirurgicale sau.


19/47

Dei biomaterialelesunt n n primul rnd

utilizate n a lica ii medicale ele ot fi deasemenea utilizate: ca suport pentru culturile de celule;

n dispozitivele pentru manipularea proteinelor nlaborator;

celulelor sau esuturilor;

n cultura artificiala scoicilor; pentru realizarea bio-chip-urilor pentru computereetc.

reprezint interaciunea ntre sistemelebiologicei sintetice.


20/47

Unbiomaterialtrebuie s ndeplineasc

s fie biocompatibil (s nu produc efectenocive: toxice, alergice, cancerigene asupra

esuturilor vii); s fie stabil biochimic(s nu sufere procese

,fiziologic);

saibproprieti mecaniceasemntoare cucele ale esutului substituit, pentru a puteaprelua n condiii optime funcia mecanic a

.

la rupere, uzur, oboseal, forfecare, etc.


21/47

Biocompatibilitatea este proprietatea

funcie n mediul fiziologic, provocnd n

partea organismului. no iune s ecificstudiului biomaterialelor nu exist o definire precis sau metode

standardizate de testare direct abiocompatibilitii.


22/47

Biocompatibilitatea este proprietatea unui

material de a nde lini o anumitfunc ie nmediul fiziologic, provocnd n acelai timpun rspuns adecvat din partea organismului.

Este cunoscut faptul c nici un material strinimplantat ntr-un organism viu nu este completacce tat

Singurele substane care rspund complet acesteicerine sunt cele produse chiar de organism

, ,strin, va iniia o formde reacie;


23/47

Biocompatibilitatea este proprietatea unui

material de a nde lini o anumitfunc ie nmediul fiziologic, provocnd n acelai timpun rspuns adecvat din partea organismului.

Provocarea pentru cercettorii n domeniul,

furnizate de nanotehnologii, s reueasc spcleasc organismele vii s considerematerialele sintetice ca biogene sau autogene.


24/47

Metode de reconstrucie a esuturilor

distruse: Pentru nlocuirea oaselor cel mai adesea este

folosit osul uman, dar utilizarea autogrefelorresu une o a doua interven ie chirur ical

cantitatea de os este limitat i tratamentul dificil. Se pot folosi alogrefele (denumite i oase de

, -chirurgicaleste eliminat.

Apar, ns, probleme legate de sterilizare iriscul transmiterii unor boli, cum ar fi hepatitelei SIDA.

- ,

sintetice, pare a fi cea optim.


25/47

CLASIFICARE

Compoziie

ALUMINOASE SILICATICE FOSFATICE ALTELE

CERAMIC

CARBONIC

Alumino-silicatice Silico-fosfatice HAp Grafit

Alumina

SialonPorelan

CERAVITAL Sticle HenchCarbon pirolitic

CEROSIUM

ana

Zirconai

Sticle biologice

POLIMERI

Fibre de sticl ranforsate cufibre metalice

Piese din

carbon vitrosCompozite cu

fibre de sticl


26/47


27/47


28/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte

Materialele inerte (sau aproape inerte) sunt n

mod esenial stabile n organismul viu, suntadvers a esutului, neprovocnd interaciunima ore cu mediul fiziolo ic.

n general conduc la formarea unui esutmodificat n jurul implantului, numit esut.

Implanturilemetalicese pot ncadra numai n

ceramice i polimerii se pot ncadra i ncategoriile materiale bioactive sau .


29/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte - metale

Suprafaa metalic implantat provoac

eliberarea ionilor metalici n esuturilenconjurtoare, ca urmare a reaciilor redox culichidul fiziologic.

ac procesu e ncapsu are cu esu ros nueste destul de rapid, eliberarea de ioni poate

. aliajele metalice folosite la realizarea

au un strat superficial de acoperire.


30/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte - metale

Metalele au fost n mod tradiional folosite

pentru realizarea implanturilor supuse unorsarcini ri icate n corpu uman. Muli ani protezele de old au fost realizate

acetabulului).


31/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte - ceramica

Descoperiri recente sugereazcfrecrile ntre

metal i polimer au un rol important ninteres deosebit a fost ndreptat spre realizareacom onentelor osului femural din materiale

ceramice (alumina sau zircona). Alumina izirconasunt de asemenea folosite,

sau ca proteze spinale.


32/47


33/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte - carbonul

Carbonuleste utilizat ca material bioceramic inert maiales n formvitroassau de grafit. stabil chimic proprieti mecanice asemntoare cu ale osului; bacteriile manifest adeziune sczut la suprafaa

implanturilor din carbon;

utilizat pentru aplicaii n care vine n contact direct cusngele, pentru realizarea valvelor artificiale pentru inim,implanturi la nivelul pielii, etc.

Nanotehnologiile au condus la descoperirea unor noiforme de carbon: bilelei nanotuburile de carbon:

inerie chimicfoarte ridicat; nu este ns bine cunoscut nteraciunea acestora cu

mediul fiziolo ic.


34/47

CLASIFICARE

I. Materiale bioinerte

Pentaoxidul de tantala fost folosit ca anod la

construcia electrozilor pentru aplicaii intracorticalecron ce s mu area se ec v n a nc me anervilor periferici.

Por elanul re arat n sistemul com ozi ional de

baz K2OAl2O3SiO2Na2O este folosit cu succespentru realizarea restauraiilor dentare.eram ca cu propr e eromagne ce, rea za pe

bazdeoxid de fier, este utilizatpentru tratarea

tumorilor canceroase prin hipertermie sau pentrutransportul controlat al medicamentelor.


35/47

CLASIFICARE

II. Materiale bioactive

Sunt materiale care determin un anumit

rspuns biologic la interfaa cu esuturile,care con uce a ormarea unei eg turi ntreimplant i esut.

osteoconductive i osteproductive; se pot lega de esuturile moi i dure; Ex.: sticla bioactivn sistemul SiO2-CaO-P2O5-

Na2O, fosfai de calciu.

Clasa B: osteoconductive; se pot lega de esuturile dure;

. .


36/47

CLASIFICARE


Att ceramica fosfatic, ct i biosticlele suntmateriale cu rezisten mecanic relativ

,acele aplicaii n care rezistena este un factorde mai mic importan, aa cum este cazul

interne. Dac aplicaia vizat necesit rezisten,

sau sticlele biactive pot fi folosite ca acoperiri

pe metale sau ceramici bioinerte.


37/47

CLASIFICARE


Vitroceramica bioactiv este o bioceramic cu rezistenmecanicconsiderabil mai mare decat a sticlei corespunztoare,obinutdin aceasta prin recristalizare.

Ciment dentar:utilizat pentru restaurri dentare fixare decoroane i puni sau remineralizare. fosfatic:

-component lichid apa;

o ciment silico-fosfatic component solid pulbere de sticlalumino-fluoro-silicatic + component lichid acid ortofosforic parialneutralizat;

glass-ionomer: component solid pulbere de sticl alumino-fluoro-silicatic+ component lichid soluie apoasde acid poliacrilic saucopolimeri ai acestuia cu adaos de acid tartric;

Ciment pentru fixarea oaselor/dentar: glass ionomer hibrid: component solid pulbere de sticl alumino-

fluoro-silicatic+ component lichid soluie apoasde acid poliacrilicsau copolimeri ai acestuia cu adaos de acid tartric i monomer

.


38/47

CLASIFICARE

III. Materiale bioresorbabile

Materialele bioresorbabile servesc ca eafodaj

temporar sau material de umplutur pn, ,esutului care le va nlocui i dizolvarea lor.

de dizolvare, aceasta trebuind s fie n acordcu cinetica de formare a esutului afectat. Constituenii in care aceste materia e sunt

formate trebuie sfie uor de prelucrat pe cale


39/47


40/47

APLICAII MATERIAL

Scheletnlocuirea articulaiilor (old, genunchi) fixarea fracturilor

Ti, aliaj Ti-Al-V, oel, polietilen, Al2O3, ZrO2oel, aliaj Co-Cr

ciment pentru oase refacerea defectelor n oase ligamente i tendoane artificiale

PMMA, cimenturi fosfaticeHApTeflon, Dacron

Sistemul cardiovascular

proteze pentru vasele de snge valve pentru inim

Dacron, Teflon, poliuretanesuturi procesate artificial, oel, carbon

catetere silicon, Teflon, poliuretan

Organe

inima artificial

poliuretan

rinichi artificial aparat inim- plmni

-celuloz, poliacrilonitrilsilicon

Simuri reabilitarea auzului lentile intraoculare lentile de contact

electrozi de platinPMMA, silicon, hidrogelsilicon-acrilat, hidrogel

,

APLICAII


41/47

APLICAII

Domenii de aplicaiiale biomaterialelor

APLICAII


42/47

APLICAII

Pelvis Fos

Bil

Ciment

Stem

Detaliu Femur

Implant de old


43/47


44/47

APLICAII


45/47

APLICAII

Vindecarea unui defect provocat de o boaldentar, cu ajutorul sticlei bioactive

APLICAII


46/47

APLICAII

Dezvoltarea celulelor osoase pe

APLICAII


47/47

APLICAII

Valve metalice pentru inim, cu

Documents

Curs 1 Notiuni Generale Biomateriale