Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Biomateriály 2013/14. BIOMATERIÁLY Rozsah 2 + 1 (3 + 0) V tom snad 1 návštěva FN Plzeň pro cca 4 studenty Požadavky Zápočet + zkouška K zápočtu: Zpracování.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Biomateriály 2013/14. BIOMATERIÁLY Rozsah 2 + 1 (3 + 0) V tom snad 1 návštěva FN Plzeň pro cca 4 studenty Požadavky Zápočet + zkouška K zápočtu: Zpracování."— Transkript prezentace:

1 Biomateriály 2013/14

2 BIOMATERIÁLY Rozsah (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 Přednášky - Biomaterials Principles and Applications. Joon B. Park, Bronzino, J.D. CRC Press 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 KOMPOZITNÍ MATERIÁLY ( >> 2 ) NANOMATERIÁLY INTELIGENTNÍ (SMART) MATERIÁLY KOVY KERAMIKA POLYMERY ~1990 ~1970 ~1950 ~1930 ~3000 př.n.l. ~8000 př.n.l Carothers DuPont NYLON mezolit, neolit Doba bronzová železná

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 MateriálAplikace 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 slitinyNáhrady kostí, kloubů Zubní implantáty Srdeční chlopně Slitiny zlataSrdeční chlopně

18 Biomateriály – Polymery

19 MateriálAplikace (např.) Polyethylén (UHMWPE)Jamky pro výměny kloubů PolypropylénStehy, MCP klouby Polytetrafluoroethylén (Teflon)Vaskulární protetika PolyesteryVaskulární protetika, doprava léčiv, stehy, vazové grafty PolyurethanyVaskulární protetika, srdeční chlopně, katetry Polyvinylchlorid (PVC)Katetry Polymethylmethakrylát (PMMA)Fixace implantátů Silikonové elastomeryOftalmologie Hydrogely (např. HEMA)Oftalmologie 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 MateriálAplikace AluminaNáhrady kloubů ZirkoniaNáhrady kloubů Fosforečnany vápenatéKostní grafty, Povrchové nátěry (vrstvy) u fixací Bioaktivní sklaKostní grafty, Povrchové nátěry (vrstvy) u fixací PorcelánZubní implantáty

25 Biomateriálové vlastnosti Modul pružnosti v tahu (GPa) Mez kluzu (MPa) Mez pevnosti v tahu (MPa) Prodloužení při přetržení (%) Mez únavy (MPa) Ocel Co-Cr-Mo (odlitek) – – – 275 Ocel Co-Cr-Mo (Výkovek) – – – 600 Titan – – – – 280 Ti-6Al-4V – – SS – – – – 300 Kortikální kost (kompaktní) – 1501 – 330 Trabekulární kost (spongiosní) 0.2 – 0.55 – 3010 – 205 – 7– UHMWPE PMMA3– Alumina350–2700– Zirkonia200–500 – 6500–

26 Koroze Galv anic 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 materiálVýsledek NerezPTFEOtěr, reakce tkáně na produkty otěru Faktory k úvazePTFE plněný SiO 2 Abrase femorální hlavice a a otěr jamky Ocel Co-Cr-Mo Velké tření, vysoká úroveň iontů of kovů v tkání Ocel Co-Cr-MoChrupavkaVyhovující Ocel Co-Cr-MoUHMWPENízká úroveň otěru UHMWPEChrupavkaKritický otěr u UHMPE and chrupavky UHMWPEOcel Co-Cr-MoOtěr femorální hlavice Ti-6Al-4VUHMWPEVysoká míra otěru jamky ZirkoniaUHMWPEMalá zkušenost AluminaUHMWPENízká úroveň otěru Alumina Nízká úroveň otěru

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

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 HAPEX TM suborbital floor reconstruction


Stáhnout ppt "Biomateriály 2013/14. BIOMATERIÁLY Rozsah 2 + 1 (3 + 0) V tom snad 1 návštěva FN Plzeň pro cca 4 studenty Požadavky Zápočet + zkouška K zápočtu: Zpracování."

Podobné prezentace


Reklamy Google