curs 6 - sticle FIM.pdf

Curs 5

STICLE I VITROCERAMICI BIOLOGICE

TIINA MATERIALELOR BIOCERAMICE

Universitatea POLITEHNICA din Bucureti Facultatea de Inginerie Medical

Sticlele biologice fac parte din categoria materialelor bioactive sau bioresorbabile. pot fi materiale bioactive de clasa A (osteoinductive);

pot permite legarea att de esuturile dure, ct i de cele moi.

La interfaa ntre material i esut au loc reacii complexe de suprafa, care duc la formarea unei legturi puternice, mai puternic dect coeziunea intrinsec a osului. O importan deosebit o au procesele fizico-chimice

care conduc la formarea unui strat de hidroxiapatit carbonatat.

GENERALITI

Cercetri cu privire la domeniul compoziional n care se situeaz sticle cu aplicaii biomedicale sunt raportate din anul 1950.

Majoritatea sistemelor conin fosfai i practic toate silice sau silicai.

Rolul silicei este de a forma reeaua de lanuri silicatice, caracteristic structurii sticlelor, n care sunt incorporate specii ionice cum ar fi Na+, K+, P5+, cu rolul de a interaciona cu mediul biochimic n care se afl sticla bioactiv.

COMPOZIIE

La nceputul anilor 70, L.L. Hench a dezvoltat conceptul utilizrii unui material pe baz de dioxid de siliciu, oxid de calciu i pentaoxid de fosfor, n proporie similar celei din osul natural, pentru realizarea unor implanturi, care au proprietatea de a dezvolta o legtur cu osul.

COMPOZIIE

Principalele caracteristici compoziionale care deosebesc sticlele obinuite silico-calco-sodice de cele biologice, sunt:

mai puin de 60%SiO2; coninut ridicat de CaO i Na2O; raport ridicat CaO/P2O5.

aceste caracteristici compoziionale trebuie s permit formarea stratului de hidroxiapatit carbonatat.

COMPOZIIE

n anumite situaii, n vederea obinerii unor materiale cu proprieti specifice (n mod special pentru adaptarea la proprietile substratului metalic, atunci cnd sticlele sunt folosite ca acoperiri), pot fi adugai i ali compui. Substituirea SiO2 cu B2O3 i a CaO cu CaF2 conduce

la:

o scdere important a punctului de nmuiere a sticlei, pn la 470oC;

o scdere a coeficientului de expansiune termic.

COMPOZIIE

n anumite situaii, n vederea obinerii unor materiale cu proprieti specifice (n mod special pentru adaptarea la proprietile substratului metalic, atunci cnd sticlele sunt folosite ca acoperiri), pot fi adugai i ali compui. Adiia de metale multivalente (cum ar fi Ti, Co, Cu,

Mn, lantanide sau Al) asigur o stabilitate sporit sticlei, prin eliminarea valenelor libere ale oxigenului, i ntrzie astfel formarea HCA;

Exist i ali oxizi care au aceeai influen, ei putnd de asemenea mbunti contactul sticlei cu suprafeele metalice. Dintre acetia menionm Sb2O3, Sb

3+ avnd un efect de stabilizare a legturilor realizate prin puni de oxigen.

COMPOZIIE

Biosticlele se pot clasifica dup coninutul n alcalii.

S-a observat c alcaliile au un rol important n ceea ce privete stabilitatea sticlelor, i deci determin schimbul ionic cu lichidele fiziologice.

Se deosebesc dou clase compoziionale: bogate n alcalii (elaborate de ctre Hench);

srace n alcalii (elaborate de ctre Broemer).

COMPOZIIE

Cod 45S5

45S5-C

45S5F

45S5N

KCP1

45B15S5

KZS3020

AP-40

BC-1

BC-2

BC-3

BC-4

BC-5

F G H P1

P2

P3 - A-W AKRA15

Ref. a b a b b b b c d d d d d e e e f f f - g h

SiO2 45 50 43

50 45 30 50 44,3 55 50,5 49 51 43 46 34 34 - - 0,8 50

34,2 40,6

CaO 24,5

19,5 12

24,5 24,5 24,5

- 18,6 4,5 4,0 - - 11 33 23 5 - - - - 44,9 22,1

CaF2 - - 16

- - - - 5 - - 8 8 16 - - - - - - - 0,5 -

P2O5 6 6 6 6 6 6 - - - - - - 7 - - - - - - - 16,3 5,4

B2O3 - - - - - 15 - - 3 2,5 13 16 - - - - - - - - - -

Na2O 24,5

24,5 23

29,5 - 24,5

- 4,6 18,2 17 22 18,5

23 5 3,5

3 - - - - - 22,1

K2O - - - - 24,5 - 30 0,2 - - - - - - - - - - - - - -

ZnO - - - - - - 20 - - - - - - - - - - - - - - -

V2O5 - - - - - - - - 8,8 16 - - - - - - - - - - - -

Al2O3 - - - - - - - - 3 3 6 5,5

- - 15 23 - - - - - 18,1

TiO2 - - - - - - - - 7,5 7 - - - - - - - - - - - -

Ca3PO

4 - - - - - - - 24,5 - - - - - 16 12 12 - - - - - -

HA - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50

- -

Compoziii tipice pentru sticlele de uz biologic

a) L.L. Hench b) L.L. Hench & col. c) Ex-Academia de tiine Berlin i IRTEC - CNR d) Das & col. e) Ceravital L. Broemer f) F. Pernod & col. g) T. Kokubo, S. Ito & col. h) IRTEC - CNR

Cod 45S5

45S5-C

45S5F

45S5N

KCP1

45B15S5

KZS

3020

AP-40

BC-1

BC-2

BC-3

BC-4

BC-5

F G H P1 P2 P3 A-W

AKRA15

Ref. a b a b b b b c d d d d d e e e f f f g h

Fe2O3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5,4

Ta2O5 - - - - - - - - - - - - - - 12,5 15

- - - - 1,0

Sb2O3 - - - - - - - - - - - - - - - 8 - - - - -

CuO - - - - - - - - - - 1 1 - - - - - - - - -

MnO2 - - - - - - - - - - 0,5 - - - - - - - - - -

CoO - - - - - - - - - - 0,5 - - - - - - - - - -

AlPO4 - - - - - - - - - - - - - - - - 23,5

13,7

12,7

- -

KPO3 - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 - - -

Ca(PO3)2 - - - - - - - - - - - - - - - - 86,5

82,3

86,5

- -

MgO - - - - - - - 2,8 - - - - - - - - - - - 4,6

-

La2O3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0,6

NiO - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1,0

Compoziii tipice pentru sticlele de uz biologic

Nivelul de biocompatibilitate al unui material poate fi corelat cu timpul n care s-a realizat legarea de os pentru mai mult de 50% din suprafaa implantului (t0,5bb).

Indicele de bioactivitate se definete dup

urmtoarea formul:

bb

Bt

I5,0

100

Indicele de bioactivitate. Influena compoziiei asupra bioactivitii

COMPOZIIE

IB=0

IB=5

IB=10

IB=2

IB=8

[MgO]

CaO

[K2O]

Na2O

SiO2

+ P2O5

A materiale bioactive

B materiale inerte

C materiale resorbabile

D nu se pot obine sticle

Diagrama lui Hench

COMPOZIIE

IB = 0 - limita compoziiilor care permit legarea de esuturile dure

IB = 8 - limita compoziiilor care permit legarea de esuturile moi - prin speciile eliberate activeaz mecanismele genetice de genez osoas

Dependena indicelui de bioactivitate de compoziie sugereaz faptul c exist materiale cu aceeai bioactivitate, i deci se pot trasa curbe izoIB n interiorul zonei de bioactivitate.

IB=0

IB=5

IB=10

IB=2

IB=8

[MgO]

CaO

[K2O]

Na2O

SiO2

+ P2O5

COMPOZIIE

Diagrama lui Hench

Prezena cationilor multivaleni conduce la ngustarea dramatic a curbelor izoIB, pn la dispariia total a bioactivitii, chiar i pentru cantiti mici din aceti ioni.

Dificultatea fixrii unui implant, precum i timpul de repaus post-operatoriu, depind de ct de aproape este implantul de zona cu IB = 0. Implanturile din aceast zon necesit o fixare mai

precis i timp de repaus ndelungat.

COMPOZIIE

Diagrama lui Hench

Formarea rapid a hidroxiapatitei carbonatate HCA la suprafaa acestor sticle a fost iniial atribuit prezenei Na2O sau a altor ioni alcalini creterea pH-ului la interfaa implant-mediu.

Hill a artat c de fapt Na2O are un efect negativ asupra reelei silicatice i conduce la scderea biocompatibilitii sticlelor.

Formarea stratului de gel de silice se consider c joac un rol important n procesul de nucleaie i cristalizare a HCA obinerea sticlelor bioactive n sistemul SiO2-CaO-P2O5 (Hench, Li, Clark).

COMPOZIIE

Diagrama lui Hench

COMPOZIIE

Sistemul CaO-SiO2-P2O5 (Kokubo)

Se consider c o cretere a coninutului de SiO2 conduce la: scderea vitezei de dizolvare a sticlelor obinute din

topituri, datorit scderii proporiei de ioni modificatori de reea, cum sunt Ca2+ i HPO4

4-; inhibarea procesului de formare a stratului de gel de

silice pe suprafaa sticlei.

Reducerea i chiar eliminarea bioactivitii sticlelor pentru un coninut de silice care depete 60%.

n vederea obinerii sticlelor bioactive cu un coninut de SiO2 mai mare de 60% este necesar prepararea acestora prin metoda sol-gel.

COMPOZIIE

Topirea amestecului de materii prime, de puritate nalt (dimensiunea medie a granulelor de 5m), n creuzete de Pt 10%Rh, acoperite, n vederea prevenirii volatilizrii componenilor;

Afnarea topiturii cel puin timp de 2 ore, fr a se ridica capacul;

Turnarea sticlei n matrie de grafit;

o dac proba are mai mult de 1cm n diametru, matria este prenclzit la 300oC.

METODE DE OBINERE

Procedeul lui Hench - Topire

Recoacerea sticlei la temperaturi diferite n funcie de compoziie, timp de 4 ore.

Rcirea sticlei, lent - 16 ore, n cuptor.

METODE DE OBINERE


Cod 45S5 45B15S5

KLP1 KZS3020

45S5N 45S5-L 45S5-F

Ttopire (oC)

1350 1150 1350 1500 1350 1350 1200

Trecoacere (oC)

500 375 550 700 550 550 350

Temperaturi de tratament termic pentru sticle Hench

Tratamentele termice trebuie realizate cu mult grij, n vederea prevenirii fisurrii sticlei.

Recoacerea are rolul de a crea condiiile formrii de microcristale, obinndu-se astfel o vitroceramic bioactiv.

METODE DE OBINERE


Materiile prime utilizate sunt precursori alcoxidici sau sruri anorganice solubile derivate din componenii oxidici ai sticlelor.

Dac se prepar o biosticl n sistemul SiO2-

CaO-P2O5, precursorii utilizai pot fi: TEOS tetraetilortosilicat (C8H20O4Si);

azotat de calciu (Ca(NO3)24H2O);

TEP - trietilfosfat (C6H15O4P).

METODE DE OBINERE

Metoda sol-gel

Materiile prime sunt adugate n pictur, sub agitare continu;

pH-ul este reglat cu acid azotic la 2-3 cataliz acid;

Solul astfel obinut este lsat s gelifice timp de cteva ore, n etuv, la 60oC.

METODE DE OBINERE

Metoda sol-gel

Avantaje: temperatur de obinere sczut;

puritate ridicat;

omogenitate mbuntit;

variaia compoziiei n condiiile meninerii bioactivitii;

modificarea caracteristicilor structurale, prin controlul reaciilor de hidroliz i condensare;

pulberi de dimensiuni nanometrice;

materiale poroase nanostructurate.

materiale cu bioactivitate mbuntit.

METODE DE OBINERE

Metoda sol-gel

Activitatea biologic a biosticlelor este asigurat de ctre schimbul ionic care apare ntre sistemul vitros i fluidele fiziologice.

Legtura material implantat - esut se datoreaz formrii unui strat de hidroxiapatit carbonatat HCA pe stratul bogat n silice, cu aceeai vitez cu care celulele vii formeaz metabolii interfaciali.

Activitatea de schimb ionic este influenat de suprafaa de contact ntre sticl i fluidul fiziologic.

REACII LA SUPRAFAA STICLEI

Mecanismul bioactivitii sticlelor

Activitatea de schimb ionic este influenat de suprafaa de contact ntre sticl i fluidul fiziologic. o cretere a suprafeei specifice determin

mbuntirea activitii biologice realizarea unor sticle poroase;

sticlele poroase permit o aderen mai bun a esuturilor la suprafaa lor, permind de asemenea dezvoltarea esuturilor n interiorul implantului.

Pentru sticle cu componeni de aceeai natur, s-a observat c textura materialelor implantate influeneaz n mod mai important activitatea biologic, dect compoziia.


Mecanismul bioactivitii sticlelor

Exist 11 etape n procesul de legare complet a biosticlelor de os: 1- 5 presupun interaciuni de natur chimic; 6-11 presupun i procese biologice.


Etape

1. Schimbul rapid de ioni de Na+ i Ca2+ cu ioni H+ i H3O

+ din soluie, conducnd la hidroliza gruprilor de silice, cu formarea de grupri silanol:

Si-O-Na+ + H+ + HO- Si-OH + Na+ + HO-

pH-ul soluiei crete pe msur ce ionii H+ din soluie sunt nlocuii de cationi;

pentru sticlele fr ioni K+ s-a observat ptrunderea i a acestor ioni din soluie, cantitatea lor depinznd de compoziia sticlei;

astfel, sticlele de acest tip se comport n mod asemntor celulelor, care atunci cnd elimin Na+, absorb n mod echivalent K+.


Etape

2. Schimbul cationic mrete concentraia de ioni hidroxil din soluie, ceea ce conduce la atacul reelei de silice. Silicea trece n soluie sub form de Si(OH)4,

rezultat din ruperea legturilor Si-O-Si, urmat de formarea continu de Si-OH (silanoli) la

interfaa sticl-soluie.

Si-O-Si + H2O Si-OH + OH-Si

3. Condensarea i repolimerizarea unui strat bogat n SiO2 la suprafaa sticlei, srcit (deficitar) n cationi alcalini i alcalino-pmntoi.


Etape

4. Migrarea ionilor Ca2+ i PO43- la suprafa prin stratul

bogat n SiO2, formndu-se deasupra acestuia un film

bogat n CaO-P2O5, amorf, care crete prin nglobarea din soluie de calciu i fosfai.

5. Cristalizarea filmului amorf bogat n CaO-P2O5 prin

ncorporarea din soluie de anioni OH- i CO32-, cu

formarea unui strat mixt coninnd hidroxiapatit carbonatat (HCA).

Aceste cinci etape decurg, de regul, n primele ore de la implantare, n funcie de caracteristicile materialului i ale mediului.


Etape

6. Adsorbia i desorbia factorilor (agenilor) biologici de cretere, n stratul de HCA, ceea ce determin activarea diferenierii celulelor stem.

7. Aciunea macrofagelor, care fagociteaz reziduurile locale, ceea ce permite celulelor s se dezvolte.

8. Ataarea celulelor stem la suprafaa bioactiv.


Etape

9. Diferenierea celulelor stem cu formarea celulelor de cretere a osului, denumite osteoblaste.

10. Generarea de matrice extracelular de ctre osteoblaste, cu formarea osului.

11. Cristalizarea matricei anorganice fosfatice cu

nglobarea celulelor osoase ntr-o structur compozit vie.


Etape

Aceste ase etape ncep de regul n primele 3-14 zile de la implantare, depinznd de:

caracteristicile implantului;

tipul i concentraia celulelor stem la interfaa cu implantul.

Suprafaa unui implant vitroceramic de tip Ceravital dezvolt o conexiune cu osul pe 17% din suprafa dup 14 zile de la implantare, i pe 95% dup 245 de zile.


Etape

Studii in vitro n SBF

Spectre de difracie de raze X pentru o prob de biosticl, tratat termic la 1000OC / 2h, nainte i dup imersarea 6, 14, 21 i 28 zile n SBF

0

500

1000

1500

2000

2500

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

CaSiO3 27-0088

HAp 46-0905

Ca3(PO4)2 01-0941

CaCO3 70-0095

NaCl 78-0751

70S - iniial

70S - 28 zile SBF

70S - 21 zile SBF

70S - 14 zile SBF

70S - 6 zile SBF


Micrografii de MEB pentru o prob de biosticl, nainte i dup imersarea timp de 6, 14, 21 i 28 zile n SBF

Iniial 14 zile 6 zile

28 zile 21 zile


Sticlele bioactive trebuie s aib o activitate moderat, n concordan cu cinetica de dezvoltare a osului. creterea prea rapid a esutului osos determin o

dezvoltare haotic a componentelor osoase, cu formarea de caviti, de structuri care nu sunt corespunztor interconectate;

pe termen lung este posibil apariia infeciilor, iar osul format prezint zone puin rezistente.

Este necesar s se cunoasc mecanismele proceselor care intervin la contactul sticl mediul fiziologic, pentru a fi posibil controlul vitezei de dizolvare a biosticlelor.


Legtura interfacial implant bioactiv os este de 15-40 ori mai puternic dect cea caracteristic materialelor bioinerte, cum ar fi oxidul de aluminiu, testate pe acelai animal (iepure), folosind testul prin tragere.

PROPRIETI

Tria legturii material bioactiv - os

Reprezentare schematic a testului prin tragere

Comparaie ntre tria legturii interfaciale pentru materiale bioactive i bioinerte, determinat prin testul prin tragere

PROPRIETI

Tria legturii material bioactiv - os

Compoziie

Compoziie

% de mas

Bioglass 45S5

Vitro-ceramic Ceravital

Vitro-ceramic Cerabone A-W

Vitro-ceramic Ilmaplant LI

Vitro-ceramic Bioverit

HAp >99,2%

C3P

Na2O 24,5 5-10 0 4,6 3-8

K2O 0 0,5-0,3 0 0,2 3-8

MgO 0 2,5-5 4,6 2,8 2-21

CaO 24,5 30-35 44,7 31,9 10-34

Al2O3 0 0 0 0 8-15

SiO2 45,0 40-50 34,0 44,3 19-54

P2O5 6 10-50 16,2 11,2 2-10

CaF2 0 0 0,5 5,0 3-23

Faze sticl Sticl,

apatit (Ca10(PO4)(O,F2),

CS, sticl Apatit,

CS, sticl

Apatit, plogopit

((Na,K)Mg3(AlSiO10)F2),

sticl

HAp C3P

PROPRIETI

Proprieti mecanice

Proprietate Bioglass 45S5

Vitro-ceramic Ceravital


Vitro-ceramic Ilmaplant LI

Vitro-ceramic Bioverit

HAp >99,2%

C3P

Densitate [g/cm3]

2,6572 3,07 2,8 3,16 3,07

Duritate Vickers [HV]

458 680 500 600

Rc [MPa] 1080 500 500-1000

460-687

Rncov. [MPa]

42 215 160 100-160 115-200

140-154

E[GPa] 35 100-150 118 70-88 80-110 33-90

KIC[MPam1/

2] 2,0 2,5 0,5-1,0 1,0

IB 12,5 5,6 7,5 3,1

PROPRIETI

APLICAII

Compoziie Forma Aplicaie Funcia

Bioglass 45S5

Corp solid Reconstrucia marginii alveolare

Umplerea spaiului i legarea de esut

Corp solid Protez pentru urechea mijlocie

Reconstrucia conductului auditiv prin nlocuirea unei pri a lanului osos

Pulbere

Reconstrucia defectelor cauzate de paradontoz

nlocuirea osului pierdut i prevenirea retragerii gingiilor

Pulbere Fixarea implanturilor de old

nlocuirea osului pierdut datorit unui implant fixat defectuos

Compoziie Forma Aplicaie Funcia


Corp solid

Protez de creast iliac

nlocuirea osului extras pentru autogref

Protez de vertebr nlocuirea unei vertebre pierdute la eliminarea chirurgical a unei tumori

Depunere Fixarea protezelor de old

Furnizeaz legarea bioactiv a implantului

APLICAII

Documents

curs 6 - sticle FIM.pdf