Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Biomateriály 2013/14.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Biomateriály 2013/14."— Transkript prezentace:

1 Biomateriály 2013/14

2 BIOMATERIÁLY Požadavky Rozsah 2 + 1 (3 + 0)
V tom snad 1 návštěva FN Plzeň pro cca 4 studenty Požadavky Zápočet + zkouška K zápočtu: Zpracování daného tématu formou přednášky ( = semestrální práce, MS Word + Powerpoint) Prezentace přednášky Ke zkoušce: Zkouškový test Ústní zkouška

3 Studijní opory www. nemat.zcu.cz /BM
        Přednášky - Biomaterials Principles and Applications. Joon B. Park, Bronzino, J.D. CRC Press 2003 - další monografie www. nemat.zcu.cz /BM Podklady z přednášek Oznámení, exkurze Budou tam Vaše prezentace

4 Přednáška 1 Obsah kurzu Jednotlivé druhy MN Keramika - úvod

5 POLYMERY KOVY KERAMIKA NANOMATERIÁLY ~1990 ~1970
INTELIGENTNÍ (SMART) MATERIÁLY ~1970 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY ( >> 2 ) ~1950 1935 Carothers DuPont NYLON POLYMERY ~1930 KOVY ~3000 př.n.l. Doba bronzová železná KERAMIKA ~8000 př.n.l. mezolit, neolit

6 Biomateriály Cílem přednášek je zhodnocení základních požadavků na biomateriály používané v bioinženýrských aplikacích

7 Materiálové atributy pro aplikace v medicíně
Biokompatibilita Nekarcinogenní, nepyrogenní (=vyvolávající horečku), netoxické, nealergenní, kompatibilita s krví, nezánětlivý Možnost sterilizace Materiál nesmí být zničen či náhle změněn sterilizačními postupy jako jsou autoklávování, suché teplo, radiace, ethylenoxid,...

8 Materiálové atributy pro aplikace v medicíně
Zpracovatelnost materiálu Musí být přiměřeně snadno opracovatelný, extruhovatelný, litelný,... (čili technologicky využitelný)

9 Biokompatibilita “Původní definice:
...“Nedostatek interakce mezi materiálem a tkání”.... tj. inertní, netoxický, nekarcinogenní, ne-allergenní, nezánětlivý, nedegradovatelný materiál Čili, materiál má nulový vliv....

10 Biokompatibilita Současná definice:
“Schopnost materiálu spolupracovat s přiměřenou odpovědí hostitele při specifické aplikaci” Je to souhrn procesů a vzájemně závislých mechanismů interakcí mezi materiálem a tkání „Schopnost materiálu spolupracovat” a nejen tedy „sedět“ v těle “Přiměřená odpověď hostitele” musí být akceptována, je dána požadovanou funkcí “Specifická aplikace” musí být definována

11 Biokompatibilita Specifické aplikace musí uvažovat také časové měřítko, po které dochází k expozici materiálu u hostitele:

12 Odpověď hostitele Typy reakcí: Normální uzdravení rány - odpověď
Adsorpce proteinů  Akutní zánět  vyloučení, resorpce,... Přetrvávající zánět Akutní  Chronický Působení relativně agresivního prostředí kolem tkáně na materiál (tj. koroze, produkty degradace) PMožnost vzdálených či systémových efektů (přechodných či chronických) pokud reakční produkty jsou transportovány pryč z místa implantátu

13 Odpověď hostitele Typy reakcí: Infekce (s nástupem ihned či později)
Osteolýza Neoplasie (rakovina)

14 Testování biokompatibility
Úvahy: Typ implantátu, hlavní tkáň(e) v kontaktu, doba životnosti implantátu, Testy pro trvale implantované materiály a přístroje: In Vitro: cytotoxicita, karcinogenita, mutagenita In Vivo: pyrogenita, systémová (chronická)/akutní toxicita Trvalé implantační studie na zvířatech (3 druhy po dobu 6, 12 a 24 měsíců) Human Clinical Trials

15 Materiály k implantacím
Kovy Polymery Keramika Kompozity

16 Biomateriály – Kovy

17 Biomateriály – Kovy Materiál Aplikace 316, 316L Nerezová ocel
Fixace zlomenin Náhrady kloubů Spinální instrumentace Chirurgická instrumentace Čistý titan Ti-6Al-4V Ti-13Nb-13Zr Náhrady kostí, kloubů Zubní implantáty CoCr slitiny Srdeční chlopně Slitiny zlata

18 Biomateriály – Polymery

19 Biomateriály – Polymery
Aplikace (např.) Polyethylén (UHMWPE) Jamky pro výměny kloubů Polypropylén Stehy, MCP klouby Polytetrafluoroethylén (Teflon) Vaskulární protetika Polyestery Vaskulární protetika, doprava léčiv, stehy, vazové grafty Polyurethany Vaskulární protetika, srdeční chlopně, katetry Polyvinylchlorid (PVC) Katetry Polymethylmethakrylát (PMMA) Fixace implantátů Silikonové elastomery Oftalmologie Hydrogely (např. HEMA) Kyselina polymléčná (PLA) a polyglykolová (PGA) Resorbovatelné materiály, doprava léčiv

20 Silikonové implantáty
Ortopedické implantáty určené k dočasné náhradě šlachy flexoru ruky, k náhradě CMC kloubu palce ruky a MCP a PIP kloubu CMC – karpometakarpální kloub, základní kloub palce ruky MCP - metakarpofalangeální kloub (třetí kloub od konečku prstu) PIP - proximální interfalangeální kloub (druhý kloub od konečku prstu)

21 Endoprotéza je jednotným silikonovým odlitkem tvořeným střední příčnou ohybovou zónou kruhového průřezu, ze které vybíhají proximálně a distálně hladké konické dříky obdélníkového průřezu. Příčná ohybová zóna implantátu je pro usnadnění flexibility opatřena v oblasti volární plochy žlábkem. Stěny tohoto žlábku svírají s vertikálou úhel 30° a spojují se v zaobleném vrcholu. Ohybový žlábek je ve volárním směru otevřen v úhlu 60°. Dříky implantátu jsou volně uloženy v diafysách prstních článků, nejsou cementovány, naopak jejich posun v dlouhé ose diafysy (tzv. pístový efekt) usnadňuje ohyb v oblasti ohybové zóny endoprotézy. Obdélníkový průřez dříků zabraňuje případným rotačním tendencím. Indikace: Endoprotéza je určena k náhradě metakarpofalangeálního (MCP) a interfalangeálního (PIP) kloubu. Destrukce MCP a PIP kloubů při zánětlivých kloubních onemocněních (revmatoidní artritida) Posttraumatická, artrotická, pozánětlivá destrukce MCP a PIP kloubu ruky

22 Příklad: implantáty u ruky; zkušenosti chirurgů s materiály (viz CMC kloub)
Chirurgie kloubů ruky nabízí různé možnosti podle postiženého místa: DIP (distální interfalangeální) kloub (kloub prstu mezi konečným a prostředním článkem prstu). Tento kloub není příliš dobrým kandidátem pro náhradu. Kůstky článků prstů jsou velmi drobné a nedokážou dobře udržet implantát. Nejlepším chirurgickým řešením u pokročilé artritidy je takzvaná fúze kloubu – nepohyblivé spojení obou kůstek. Dochází k velké úlevě od bolesti, zatímco funkce ruky je tímto zákrokem omezena minimálně. PIP (proximální interfalangeální) kloub (druhý kloub od konečku prstu). U tohoto kloubu se náhrady provádějí velmi často. Nejvhodnějšími kandidáty je PIP kloub malíčku a prsteníčku. Naopak nepříliš vhodný je kloub ukazováku, který musí být pevný i při pohybech do strany, například při odemykání klíčem nebo při jemné manipulaci. Tyto síly mohou vést k nadměrné zátěži implantátu a tím i k jeho předčasnému selhání. MCP (metakarpofalangeální) kloub (třetí kloub od konečku prstu). Osteoartritida zřídkakdy napadá MCP kloub. Nejčastějším důvodem k náhradě je zničení tohoto kloubu revmatoidní artritidou. Již od šedesátých let se využívají silikonové náhrady MCP kloubu, které přinášejí vynikající dlouhodobé výsledky. CMC (karpometakarpální) kloub palce, postižení bývá nazýváno risartróza. Kloub propojující první článek palce se zápěstím bývá i při každodenních činnostech vystaven velké zátěži. Účinek síly, která působí na špičku palce, je při působení na CMC kloub dvanáctkrát silnější, což má za následek jeho časnější poškození. Risartróza je velmi častá především u žen a mnohdy vyžaduje chirurgickou náhradu kloubu. Silikonové náhrady nebyly příliš úspěšné. Nejčastěji se zákroky provádějí s využitím šlachy samotného pacienta, což umožní stabilizovat palec a vytvořit nový povrch kloubní plochy (tzv. metoda LRTI).

23 Biomateriály – Keramika

24 Biomateriály – Keramika
Aplikace Alumina Náhrady kloubů Zirkonia Fosforečnany vápenaté Kostní grafty, Povrchové nátěry (vrstvy) u fixací Bioaktivní skla Porcelán Zubní implantáty

25 Biomateriálové vlastnosti
Modul pružnosti v tahu (GPa) Mez kluzu (MPa) Mez pevnosti v tahu Prodloužení při přetržení (%) Mez únavy Ocel Co-Cr-Mo (odlitek) 200 440 – 570 650 – 750 8 235 – 275 Ocel Co-Cr-Mo (Výkovek) 210 650 – 1000 896 35 – 55 400 – 600 Titan 100 480 – 510 550 – 620 15 – 20 250 – 280 Ti-6Al-4V 825 930 10 – 15 400 – 440 316 SS 250 – 330 520 – 620 35 – 75 245 – 300 Kortikální kost (kompaktní) 18 80 80 – 150 1 – 3 30 Trabekulární kost (spongiosní) 0.2 – 0.5 5 – 30 10 – 20 5 – 7 UHMWPE 1 20 390 16 PMMA 3 35 0.25 6 Alumina 350 270 Zirkonia 500 – 650

26 Koroze Galvanic Trhlinová (štěrbinová) koroze (crevice)
Korozní praskání pod napětím Vibrační únava (Fretting)

27 Galvanická koroze Elektrochemický okruh mezi dvěma nestejnými kovy
Materiál anody je méně ušlechtilý a oxiduje se (tj .koroduje) Materiál katody je ušlechtilejší a je chráněn

28 Metody fixace implantátů
Neexistence absolutní rigidity jak implantátu tak kosti – jsou deformovatelné Jistá deformace nastává na rozhraní kost/implantát a je přijatelná jenom když: Její velikost se progresivně nezvětšuje Není spojována s bolestí Není spojována s neúnosným množstvím odpadních částic (úlomků) Biologická omezení: Kortikální a trabekulární kosti jsou podstatně méně pevné v tahu a kompresi Vrstva vláknité tkáňe vytvářející se na rozhraní kost/implantát během počáteční léčebné fáze je též slabší v tahu a střihu Proto je třeba se vyvarovat tahu a střihu u metod fixace implantátů

29 Metody fixace implantátů
Interferenční upevnění (materiál na materiál) Většinou poskytuje dobrou fixaci Remodelace kosti může odstranit interferenci na které závisí fixace a může vést k uvolnění

30 Metody fixace implantátů
Šrouby Nezaručují těsnost bez ohledu na jejich kvantitu, mohou vést k uvolnění součástí Obecným problémem je trhlinová (štěrbinová) koroze (crevice) pod hlavicemi šroubů (pozorováno na fixačních destičkách/discích při frakturách), může vést k uvolnění Místní vysoké kontaktní napětí (rozhraní kost/šroub) Jsou vhodné jen pro dočasné fixace (např. fixace zlomenin)

31 Metody fixace implantátů
Kostní cement Agens vyplňující prázdný prostor Polymethylmethakrylát (PMMA) – je polymerizován in situ Rozděluje zátěž na největší možnou plochu (nízká kontaktní únava) Zajišťuje mechanický „zámek“ mezi implantátem and kortikální kostí Problémy: monomer toxický, polymerizační proces je exothermní (>50°C) a cement je obecně křehký

32 Metody fixace implantátů
Vrůstání do kosti Porézní povlaky, drážky a/nebo síta Vhodné pro dlouhodobé fixace Je třeba omezit relativní pohyb pro zajištění prorůstání kostí Zásadní efekt velikosti pórů na množství vrostlé tkáně Obecný přístup je vytvořit vrstvu částečně slinutých částic (beads) na povrchu implantátu

33 Otěr Nastává v každém systému pokud jsou dva materiály v kontaktu a relativním pohybu. Rozsah otěru je klíčový pro biomateriály: Biologická odpověď na částice (zbytky) po otěru Degradace implantátu  předčasné selhání Otěr je stále hlavním problémem v případě náhrad kloubů: Předčasné selhání (< 7 let pro totální výměnu kolenního kloubu) Vyžaduzje revizní chir. zákrok (většinou s nižší efektivitou než primární operační zákrok)

34 Otěr Faktory k úvaze: Výběr materiálu
Více otěruvzdorný (e.g. Co-Cr >> Ti) S povrchovými modifikacemi (e.g. TiN) Kompinace materiálů Stejné (kov/kov) Smíšené (kov/polymer) Kontaktní mechanika Zatížení (velikost, statické, dynamické) Mechanické vlastnosti materiálů Geometrie kontaktních těles (např. kongruence)

35 Otěr Faktory k úvaze : Lubrikace Vlastnosti lubrikace
Mechanismus lubrikace (např. elastohydrodynamická) Povrchová úprava materiálu Kinematika spojení (např. kloubů) Rychlost pohybu, rolling/sliding Biologická odpověď Objemová fáze (Bulk) versus částice odpadu

36 Materialové kombinace (THRs)
Materiál femorální hlavice Acetabulární materiál Výsledek Nerez PTFE Otěr, reakce tkáně na produkty otěru Faktory k úvaze PTFE plněný SiO2 Abrase femorální hlavice a a otěr jamky Ocel Co-Cr-Mo Velké tření, vysoká úroveň iontů of kovů v tkání Chrupavka Vyhovující UHMWPE Nízká úroveň otěru Kritický otěr u UHMPE and chrupavky Otěr femorální hlavice Ti-6Al-4V Vysoká míra otěru jamky Zirkonia Malá zkušenost Alumina

37 Mechanismus otěru Rovné povrchy, i když jsou perfektně vyleštěné, ve skutečnosti na atomární úrovni rovné nejsou. Jsou hrubé, drsné s “výrůstky“, kterým říkáme asperita. (Wikipedia: Při pohybu dochází ke kontaktu dvou částí desky, což má za následek vytvoření nerovné kontaktní plochy zvané asperita.) Pod tlakem se asperita deformují a zvětšuje se kontaktní plocha (s nižším napětím) a vyšším koeficientem frikce (µs, µd). Podle interakce asperit za relativního pohybu, můžeme rozlišovat různé mechanismy otěru.

38 Mechanismy otěru Únavový Primárně u jednoho materiálu (např. UHMWPE)
Cyklický tlak pod povrchem a stlačení Adhesivní Vyskytuje se u dvou materiálů (např. kov & UHMWPE) Roli hraje povrchová energie mezi materiály v kontaktu Abrasivní Výskyt u tří materiálů (kov, UHMWPE and zbytky z otěru) Tvrdý a hrubý materiál odstraňuje měkký materiál Může nastat i kombinace výše uvedených mechanismů

39 Testování otěru K reprodukci mechanismů skutečného otěru pozorovaného na použitých implantátech se používají následující metody (v kontrolovaném prostředí)“ Simulátory otěru Pro: dají se použít skutečné implantáty Proti: obtížné modelování skutečné biomechaniky Metoda „Rotating Pin-on-Flat“ Pro: jednodušší model než simulátor Proti: reálně nemodeluje kinematiku/dynamiku Metoda „Reciprocating Pin-on-Flat“ (obrácená metoda Pin-on-Flat) Pro: dobře se modeluje klouzavý pohyb(vhodné pro totální výměnu kyčelního kloubu) Proti: reálně nemodeluje kinematiku/dynamiku kolena

40 Consequences of Wear Excessive wear can lead to premature failure of the component; however, there can also be a biological response to the generated wear debris, such as inflammation and/or osteolysis. Osteolysis refers to the active resorption of bone tissue as part of a biological reaction to wear particles generated from artificial joint replacements. This process ultimately results in implant loosening and eventually requiring revision surgery. The magnitude of the osteolytic response is dependent on the nature of the wear particles generated: chemical composition size (smaller particles have greater effect) shape (shaper particles have greater effect)

41 Osteolýza Žlutě prořídlá kost (osteolýza) – menší pevnost a důsledek reakce kloubní tekutiny+částic PE s kostní tkání (obr. vlevo – tmavomodře) Vede k uvolnění implantátu a jeho selhání. Předčasná reoperace je nezbytná.

42 Methody sterilizace Autokláv (=parní sterilizátor):
Vysokoteplotní proces(121 – 134°C), přehřátá pára Běžně užíván pro opakovanou sterilizaci(např. operační nástroje) Levné Ethylenoxid (EO): Nízkoteplotní proces (pro teplotně citlivé materiály, např. UHMWPE) Problémem může být přetrvávající zbytkový plyn Vlivy na životní a pracovní prostředí; pracovní riziko!!! Gamma záření: Vysoce efektivní Pozor u polymerů – může způsobit rozbití vazeb a síťování ( crosslinking) !!

43 Biomateriály – kompozity
Kost – přírodní kompozit X-ray of a HAPEXTM suborbital floor reconstruction


Stáhnout ppt "Biomateriály 2013/14."

Podobné prezentace


Reklamy Google