Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství

Prezentace na téma: "Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství"— Transkript prezentace:

1 Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství
Kapitola 2 Kovy Autoři: Dr E. Jane Minay and Dr Aldo R. Boccaccini Imperial College London

2 Periodický systém prvků
Acti-nide series Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl Hg Au Pt Ir Os Re W Ta Hf Rare earth series Ba Cs Xe I Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Kr Br Se As Ge Ga Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr V Ti Sc Ca K Ar Cl S P Si Al Mg Na Ne F O N C B Be Li He H Lw No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu Np U Pa Th Ac Lu Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm Pm Nd Pr Ce La Kovy (žlutě), nekovy (červeně) and metaloidy (polokovy; modře) elements. Vlastnosti kovů odrážejí typ vazby – kovové!!

3 Model 1 + e- Jeden z modelů kovů – pozitivní kationty jsou obklopeny mořem nebo oblakem elektronů. Tyto „volné elektrony“ nejsou vázány k určitým atomům, ale pohybují se volně ve struktuře kovu. Jsou to tyto „volné elektrony“, které odpovídají za některé typické vlastnosti kovů jako jsou dobrá vodivost tepla a elektrického proudu a kovový lesk vyleštěného povrchu kovu.

4 Model 2: f.c.c. A B C A C Plošně centrovaná kubická mříž (f.c.c.) může být zobrazena jeko opakující se sestava těsně uspořádaných vrstev tuhých koulí.

5 Plošně centrovaná kubická mříž (f. c. c
Plošně centrovaná kubická mříž (f.c.c.) může být zobrazena jeko opakující se sestava těsně uspořádaných vrstev tuhých koulí. Každá vrstva má nejtěsnější možné uspořádání koulí s šesti nebližšími partnery. První vrstvu si představme v pozici A. Následující vrstva „sedí v meziprostorech“ vrstvy A a označíme ji jako B – vrstvu. Třetí vrstva může sedět na druhé vrstvě buď tak, že její koule jsou přesně nad koulemi vrstvy A (ale to je pak šesterečná těsně uspořádaná mřížka h. c. p. ), nebo v nové třetí možné pozici C. Ve struktuře plošně centrované kubické mřížky (f.c.c.) sedí struktura třetí vrstvy v C –pozici. Celková struktura je pak sekvencí vrstev uspořádaných v systému ABCABCABC…. Každá koule se dotýká s 12 dalšími. F. c. c. Mřížku má Al, Ni, a Fe při vysokých teplotách ( oC).

6 Plošně centrovaná krychlová mřížka

7 Precipitace (srážení)
200nm Obrázek TEM tenké kovové vrstvy ukazující malé světlé sraženiny kubické struktury v tmavší matrici.

8 Efekt zrnitosti Graf znázorňuje vliv velikosti zrna na pevnost komerčně čisté titanové slitiny. YS= d-1/2 kde mez kluzu je v MPa a d-1/2 průměrná velikost zrna v mm.

9 Tahové vlastnosti kovů
0 Napětí  Deformace  Plastická deformace Nevratná Lom Mez pevnosti Mez kluzu Vratná elastická deformace Typická tahová zkouška kovového materiálu. Elastické chování materiálu je znázorněno modrou částí křivky, oblast permanentní (plastické) deformace je označena červeně a začíná za mezí kluzu daného kovu. Deformace pokračuje až po dosažení maxima napětí (mez pevnosti v tahu); pak nastává pokles napětí až ke konečné hodnotě, kdy nastává lom materiálu.

10 Mechanické vlastnosti kovů
Youngův modul (GPa) Mez kluzu (MPa) Pevnost v tahu (MPa) % prodloužení Lomová houževnatost (MPam1/2) Běžné oceli 210 10-40 50-90 Nerezové oceli 5-40 80 Titanové slitiny 10-30 40-70 Platina 170 10 1-40 - Typické mechanické vlastnosti některých kovů a slitin

11 Únavové vlastnosti kovů
Amplit. napětí s MPa Počet cyklů vedoucí k lomu N 105 106 107 108 109 100 400 300 200 Běžná konstrukční ocel (měkká C-ocel) Hliník Mez únavy Únavové vlastnosti kovů nám udává Wöhlerova křivka. Jsou zřejmé dva typy chování: dle červené křivky (oceli, slitinyTi) – zřetelná mez únavy; dle zelené křivky (řada neželezných kovů a slitin).

12 Efekt tvarové paměti ( shape memory effect )
zahřív ochlaz Correspondence Variant A Variant B deform Fig. 2.15

13 Obrázek ukazuje schematicky mechanismus efektu tvarové paměti
Obrázek ukazuje schematicky mechanismus efektu tvarové paměti. Jak je kov zahříván a ochlazován, atomové uspořádání se mění od vyšší symetrie při vyšší teplotě (ve schematu znázorněno čtvercovým uspořádáním) k nižší symetrii při nižší teplotě (vzniklá martenzitickou transformací). Může se vytvářet několik variant uspořádání s nižší symetrií. Uspořádání se mění tam a zpět při zahřívání a ochlazování, přičemž navenek změna není pozorována. Pokud kov deformujeme v jeho nízkoteplotním strukturním uspořádání, atomy se pohybují takovým směrem, aby jedna strukturní varianta rostla na úkor druhých. Pokud pak kov zahřejeme na strukturu s vyšší symetrií (čtvercové uspořádání), kov se vrátí do původního stavu. Tento transformační sled nazýváme „shape memory efekt“ (efektem tvarové paměti).

14 Štěrbinová koroze e Zvětšení oblasti spojení kovů a štěrbiny O2
M+ OH- O2 e Cl- Na+ H+ Zvětšení oblasti spojení kovů a štěrbiny Mechanismus štěrbinové koroze

15 Mecahnismus štěrbinové koroze: ve štěrbině je zóna stagnace
Mecahnismus štěrbinové koroze: ve štěrbině je zóna stagnace. Na počátku se koroze vyskytuje při konstantní rychlosti po celém povrchu kovu. Po krátké době je spotřebován kyslík v oblasti štěrbiny. V této oblasti tedy neprobíhá žádná redukce kyslíku na hydroxylové ionty, i když pokračuje rozpouštění kovu. Tak vzniká přebytek kladného náboje v roztoku (=přítomnost kationtů kovů). Ten se vyrovnává migrací chloridových iontů do štěrbiny. Dochází ke zvýšení koncentrace chloridu kovu ve štěrbině, přičemž kationty kovu a chloridové anionty reagují s vodou za vzniku nerozpustného hydroxidu kovu MOH a volné disociované kyseliny chlorovodíkové H+Cl-. Jak kationty H+ tak i chloridové anionty zvyšují rychlosti rozpouštění většiny kovů a slitin – a proces se stává autokatalytickým.

16 Vývoj kovových biomateriálů
Roger J Narayan MD PhD Associate Professor, North Carolina State University and the University of North Carolina

17 Abstract Lidská vrozená vlastnost být aktivní poháněla vývoj biomateriálů. THR je jeden z největších revolučních pokroků moderní ortopedické chirurgie kdy se odstraňuje bolest a zlepšuje funkce orgánu. Vývoj kovových biomateriálů probíhaůl evolučně, dle Darwinova vzoru. V polovině 19. století začali lékaři systematicky studovat interakce tkáň – kov. Bohužel, rozvoj kovových biomateriálů byl omezen nedostatkem znalostí o durabilitě a biokompatibilitě materiálů. Tato historická studie ukazuje jak chirurgové-vědci používali hotové kovové (bio)materiály k léčbě svých pacientů.

18 Kyčelní kloub http://www2.ma.psu.edu/~pt/384hipj2.gif
The hip is the largest joint in the body. It is a ball-and-socket joint capable of various movements including abduction, adduction, extension, flexion, circumduction, and rotation. Portions of the ilium, pubis, and ischium combine on the lateral surface of the hip bone (also known as the innominate bone) to form the acetabulum, or the horse-shoe shaped socket of the hip joint (from the Latin acetabulum, meaning “vinegar cup”). The acetabulum is further deepened by the fibrocartilaginous acetabular labrum, a rim of tissue extending from the acetabular margin. This socket articulates with the hemispherical head of the femur. The discontinuity in the non-articular inferior aspect of the bony rim of the joint socket (the acetabular notch) is bridged by the transverse acetabular ligament. The ligamentum teres extend from the notch to the fovea on the femoral head. The capsule consists of an external fibrous layer and an internal synovial layer. Itbcovers the ligamentum teres and a pad of fat contained in the acetabular fossa. Distally, capsular fibers and accompanying blood vessels extend to the femoral head and neck. Největší kloub v těle. Systém hlavice – jamka; umožňuje různé typy pohybů: odtažení, přitažení, protažení, otočení, zkroucení apod. 18

19 Obecné důvody pro náhradu kyčelního kloubu
Příčina Incidence (%) Osteoarthritis Dislokované zlomeniny 11 Rheumatoidní arthritis 7 Aseptická nekróza kosti 7 Revizní operace 6 According the American Academy of Orthopaedic Surgeons, approximately 120,000 hip replacement operations are performed each year in the United States. The high frequency of hip joint replacements can be attributed to the fact that loss of function of the hip joint produces such a severely handicapping condition. Problems with hips are related to the demands on the joint brought about by an upright posture for which evolution has not kept pace. Loads on hip joints as high as 1400 lb must be carried without plastic deformation or fracture. Prosthetic replacement of the hip is considered when the acetabulum or the head of the femur is damaged by degenerative or destructive conditions . These conditions include: 1. Osteoarthritis (also known as degenerative joint disease) 2. Rheumatoid arthritis and juvenile rheumatoid arthritis 3. Ankylosing spondylitis 4. Avascular necrosis 5. Salvage procedures 6. Persistent pain 19

20 Kritéria pro výměnu kostí zahrnují:
1. Vhodný interface tkáň - materiál 2. Netoxické 3. Nekorozivní 4. Přiměřená odolnost proti únavě 5. Vhodný design 6. Vhodná hustota 7. Relativně nenákladné 8. Elastické a mechanické vlastnosti srovnatelné s kostí

21 Dávná historie Preserved skeletons show that osteoarthritis and rheumatoid disease have afflicted man since before recorded history. The use of materials as constituents of surgical implants is not new. Substitutions of bone parts for repairing seriously damaged portions of the human body have been recorded since the pre-Christian era. Bronze or copper were utilized in circumstances requiring the assembly of fractured bone parts. A major factor impeding success was the accumulation of toxic copper ions in the liver, brain, and other body tissues once the implant had completely dissolved. In the Inca civilization, some operations were carried out in which bone fragments removed during these operations were replaced in their original position. Unfortunately, substances suitable for implantations other than bronze or copper were not developed until the mid-eighteenth century. Thus, for most of human history, prostheses were external. Zachovalé kostry dosvědčuje, že osteoarthritida a revmatické choroby trápily lidstvo před dochovanými záznamy. Náhrada nefunkčních a/nebo zničených částí těla byla známa již v předkřesťanském období. Bronz, měď – opravy kostí. Ale – toxické ionty Cu a játra, mozek – problémy. Jiné materiály až do poloviny 18. stol. nebyly používány pro interní náhrady; protézy byly externí. 21

22 John Rhea Barton An early joint repair surgery credited to John Rhea Barton of of Lancaster, Pennsylvania. He hoped to make a stiff joint movable and painless via some type of surgical process. Unreported unsuccessful attempts probably had been made by his contemporaries. The patient was a sailor with a hip joint that was fused (ankylosed) in adduction, internal rotation, and flexion due to nonunion of fracture. Three months after the 1826 surgery, the patient walked with a cane and had functional mobility. The patient died of pulmonary tuberculosis ten years after the operation; however, he enjoyed a pain-free joint until his death. Barton JR. On the treatment of ankylosis, by the formation of artificial joints. N. Amer. Med. Surg. J. 1827; 3: from page 2, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. 1826 operace u námořníka s nepohyblivou kyčlí; po 3 měsících jeho mobilita. 22

23 John Rhea Bartonův pacient
Fortunately, the sailor had willed his body to Barton, thereby becoming both the world’s first implant donor. An autopsy examination revealed that the patient’s hip had returned to a fused position. Many arthroplasties were attempted shortly after this, but these usually resulted in disaster due to postoperative infection. In 1829, Levert made the first study of tissue tolerance to metal. After a series of experiments on dogs involving gold, silver, and lead, and platinum wires, he determined that platinum wire was the least irritating and best tolerated. from page 2, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. Barton provedl první implantaci. Největším problémem = postoperační infekce Levert 1829– první studie tkáňové tolerance ke kovům (Ag, Au, Pg, Pt); testy na psech, vítězem Pt. 23

24 Joseph Lister In the mid-nineteenth century, it was still believed that metal was one source of hospital gangrene. Lister's thesis “On the Antiseptic Principle in the Practice of Surgery” served as a landmark in the explosive development of surgery. Lister himself successfully sutured fractured patella bones with silver wire in Ten years later, Lane proved that the hazards originally associated with the use of metals could be reduced to a safe level when proper surgical technique was used. The “Lane technique” demonstrated aseptic precautions prevented infection during bone surgery. V polovině 19. stol se stále věřilo, že kov v těle je jednéím z hlavních zdrojů gangrén v nemocnici. Lister 1885– úspěšné sešití patelly Ag-drátem Lane dokázal, že obtíže při implantaci kovů lze minimalizovat správnou chirurg. technikou+aseptickým prostředím. 24

25 Hey-Groves zkoušel kovy k imobilizaci zlomenin u kočky
from page 4, Charles O. Bechtol, A. B. Ferguson, and Patrick G. Laing, Metals and Engineering in Bone and Joint Surgery, Williams and Wilkins Company, Baltimore, 1959. Although Americans remained wary of metallic biomaterials, systematic biocompatibility testing were being performed in Europe. In 1913, Hey-Groves performed a thorough study of tissue tolerance to metals in peg, plate, and screw forms. He came to the following conclusions: 1. Nickel-plated steel has no irritating effect on the tissues. 2. Magnesium acts as a powerful stimulant to bone formation. 3. Aseptic materials are readily tolerated by the tissues. Hey-Groves EW. An experimental study of the operative treatment of fractures. Brit. J. Surg. 1913; 438: 501. Evropa byla kolébkou implantací kovů na přelomu 19. – 20. stol Hey-Groves podrobná studie o toleranci tkání ke kovům (čep, destička, šroub) s výsledky: 1. Poniklovaná ocel nedráždí tkáně, 2. Mg silný stimulans pro tvorbu kosti, 3. aseptické materiály jsou dobře tolerovány tkáněmi. 25

26 Sherman pozoroval selhání kovových destiček (testy na psu)
Sherman (Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh) examined steel bone plates using a dog model. He found that the bone plates fractured at the junction of the central metal bar and the first screw hole. Sherman also noted that high carbon steels possessed good elastic properties but low ductility. He observed that ideal steel for a bone plate is “one that has a sufficient elastic limit with greatest ductility so that in case a strain should be exerted we would have a bending of the plate instead of a break. . .The addition of vanadium to a high carbon steel intensifies the hardening elements making the steel more dense and tough thereby increasing the elastic ratio; i.e., ratio between the elastic limit and elongation...lt would take great force to bend a vanadium plate sufficiently to break it.” Sherman also altered the plate design; for example, he patterned his plates after eye bars used in bridge construction, and reduced the number of screw eyes. Sherman’s design created a stronger plate that incidentally used less steel. His work put the internal fixation of bone fractures using metallic implants on a scientific basis. Sherman WD. Vanadium steel plates and screws. Surg. Gync. & Obst. 1912; 14: 629. from page 5, Charles O. Bechtol, A. B. Ferguson, and Patrick G. Laing, Metals and Engineering in Bone and Joint Surgery, Williams and Wilkins Company, Baltimore, 1959. Selhání ve spoji středního pásku+1.otvoru pro šroub + pozoroval dobré elastické vlastnosti u vysokoC ocelí ale malou tažnost. Definoval „ideální ocel pro kostní destičku“; přídavek V k vysokoC ocelím. Dále změnil design destičky, redukce počtu otvorů pro šrouby. Pevnější destička z méně Co celi. Jeho práce zavedla vědu do oboru interních fixací kostí kovovými implantáty. 26

27 Zierold ukázal na výhodnost Co-Cr slitin oproti vysokoC oceli
from page 8, Charles O. Bechtol, A. B. Ferguson, and Patrick G. Laing, Metals and Engineering in Bone and Joint Surgery, Williams and Wilkins Company, Baltimore, 1959. Zierold studied the interaction between bone and various metals, including gold, silver, aluminum, zinc, lead, copper, nickel, high carbon steel, low carbon steel, stellite, copper, aluminum alloy, magnesium, and iron, in He used dogs as experimental animals in this work; he examined histological sections of bone as well as X-rays of implants in order to better understand implant-tissue interaction. Gold, silver, stellite, lead, and aluminum seemed to be well-tolerated; on the other hand, zinc, copper, nickel, high carbon steel, low carbon steel, aluminum alloy, magnesium, and iron appeared to interfere with bone repair. Stellite, a cobalt-chromium alloy, was shown to be the best-tolerated metal. Around that time, Venable and his co-workers performed biochemical analyses of tissues, which demonstrated that ion transfer between dissimilar implant metals did occur in accordance with electromotive force. Their studies demonstrated that cobalt-chromium alloy was “essentially nonelectrolytic.” Cobalt-chromium alloy was soon used in nails, cups, and other medical prostheses. The discovery of the first “ideal” orthopaedic alloy dramatically increased the use of metallic biomaterials. Zierold A. Reaction of bone to various metals. Arch. Surg. 1924; 9: 365. Studoval toleranci mnoha kovů (1924) za pomoci histologie a RTG. Dobře tolerovány: Au, Ag, stellit, Pg, Al; interference s kostí naopak u Zn, Cu, Ni, vysoko- a nízkoC oceli, Al slitiny, Mg, Fer. Nejlepší výsledky: stellit a Co-Cr slitiny. V té době Venable a kol. provedl biochemické analýzy tkání – přenos iontů mezi různými implant. kovy probíhá v souladu s elektromotor. silou (potenciálem).Co-Cr slitina v podstatě neelektrolyt. Tento materiál se začíná používat na hřeby, jamky apod. Objev první „ideální“ ortopedické slitiny dramaticky zvětšilo použití kovových biomateriálů. 27

28 Odlité díly ze skla (Viscaloid, Pyrex), bakelitu a Vitallia použité při plastice kostí
from page 201, P. G. Laing, Clinical Experience with Prosthetic Materials: Historical Perspectives, Current Problems, and Future Directions, in Corrosion and Degradation of Implant Materials ASTM STP 684, ASTM, West Conshohocken, 1979. In 1923, Marius Smith-Petersen removed a piece of glass that had been imbedded in a man's scalp for one year and noticed the shiny nature of the residual space, which resembled a joint cavity. This surface looked like an appropriate surface for an artificial joint. He attempted to design a loose-fitting cup to be placed between the head of the femur and the acetabulum. The synthetic cup would mold the shape and the topology of regenerating cartilage. He first glass molds broke within several months or years after implantation. The broken molds were replaced by fresh molds. Then he turned to celluloid (Viscolloid), which produced an excessive tissue reaction. Pyrex, like glass, exhibited occasional breakage. In 1938, Smith-Petersen’s dentist, John Cooke, suggested that he turn to Vitallium. This material eventually became the material of choice in joint replacement. Smith-Petersen MN. Evolution of mould arthroplasty of the hip joint. J. Bone Joint Surg. 1948; 13: V roce 1923 začalo odlévání jamky, která se vsazuje do acetabula a stýká se s hlavicí femuru. Bylo odzkoušeno několik typů materiálu: sklo (odlitky se rozbily až po několika měsících či létech od implantace), později byl použit derivát celluloidu Viscalloid. Ten ale způsoboval zvýšenou reaktivitu okolní tkáně. Pyrex obdobně jako sklo se příležitostně rozbil. V roce 1938 dentista John Cook navrhl Vitallium – a tento materiál zvítězil. 28

29 První Moorovy protézy from page 14, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. The first report of a metallic replacement for the femur appeared in literature in In 1940, Bohlman and Moore removed a large malignant giant cell tumor from the upper end of the femur of a patient. They inserted a prosthesis to replace the whole upper third of the shaft of the femur. Bohlman soon followed the lead of Venable and Stuck and created implants using cobalt-chromium alloy. Moore AT and Bohlman HR. Metal hip joint, a case report. J. Bone Joint Surg. 1943; 25: Venable CS, Stuck WG, Beach A. The effects on bone of the presence of metals; based upon electrolysis. An experimental study. Ann. Surg. 1937; 105: 917. První zmínka o kovové náhradě ve femuru je z r R Bohlman a Moore vyňali velkou maligni nádorovou buňku z horního konce femuru u pacienta a vsadili mu protézu pro nahrazení celé horní třetiny stehenní kosti. Bohlman tak prakticky ověři pionýrskou experimentální studii Venable a Stucka z r kovový implantát na bázi kobaltochrómové slitiny byl na světě. 29

30 Judetova protéza Implantát hlavice femuru z akrylu vyvinutá r Jean a Robertem Judetem v Paříži. Po odstranění hlavice a krčku byla protéza vsazena do otvoru poo krčku. Vlastní implantát tvořila hlavice femuru uz PMMA s dříkem z téhož materiálu. Toto spojení bylo stabilnější než u použití Vitallia, neboť protéza měla těsnější spojení s okolními anatomickými strukturami. Přesto bylo mnoho problémů: vrzání spoje, reaktivita PMMA s tkání, uvolnění, otěr, bolest a selhání implantátu. The acrylic femoral head implant developed in 1946 by Jean and Robert Judet of Paris. After the head and the neck of the femur were removed, the prosthesis was inserted through a hole in the remainder of the neck. The device consisted of a polymethylmethacrylate femoral head attached to a polymethylmethacrylate stem. The joint formed by this procedure was much more stable than that formed by the Smith-Petersen procedure, because the prosthesis had a closer fit with the surrounding anatomic structures. However, problems included squeaking, tissue reactivity with polymethylmethacrylate, loosening, wear, pain, and implant failure. In the 1940’s, metallurgical researchers developed a low-cost method for purifying titanium. This metal and its high performance, high strength-to- weight ratio alpha-beta alloy (Ti-6wt%Al-4wt%V) was immediately pressed into medical use. In an early biocompatibility study, Bothe demonstrated a much more favorable histological response to titanium than to other materials. Jergesen examined screws and plates containing more than 99.6 per cent elemental titanium. There was no histological evidence of bone necrosis or delayed osteotomy healing vedwas obser in the experimental animals; however, approximately one-third of the tissues exhibited limited discoloration. Judet, J., and Judet, R.: The use of an artificial femoral head for arthroplasty of the hip joint. J. Bone Joint Surg., 3213: , 1950. Bothe RT, Beaton LE, and Davenport HA. Reaction of Bone to Multiple Metallic Implants. 1940; 71: Jergensen FH. Studies of Various Factors Influencing Internal Fixation as a Method of Treatment of Fractures of the Long Bones. Report to National Research Council. Washington (DC), 1951. news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/ stm Ve 40. létech 19. stol. Vyvinuli metalurgové levnou methodu purifikace Ti. Tento materiál a jeho vynikající slitina (Ti -6%hm.Al-4%hm.V) byla ihned protlačena do medicíny.V prvních studiích biokompatibility ukázal Bothe výbornou histologickou odpověď na Ti oproti jiným materiálům. Jergesen – testy se šrouby a destičkami z >99.6% čistého Ti. Žádný histologický důkaz nekrózy kosti při studii na psech. 30

31 John Charnley The late Sir John Charnley lead three significant advances during the 1960’s that catapulted total hip replacement into the modern era of incredible progress: 1. the introduction of the metal-UHMWPE bearing couple 2. the use of methyl methacrylate for fixation 3. the reduction of postoperative sepsis due to the use of laminar flow and body exhaust systems, prophylactic antibiotics, and antibiotics placed in bone cement. from page 15, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. Pokrok v 60. létech – moderní éra THR Zavedení páru kov – UHMWPE Použití methylmetakrylátu k fixacím Omezení pooperační sepse (profylaxe antibiotiky, antibiotika v kostním cementu) 31

32 John Charnley news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/4949528.stm
50. léta – Charnley objevil fenomén lubrikace hraničních ploch u přírodního kloubu. Hledal syntetický nízkofrikční materiál : PTFE první volba a mizerné vlastnosti z hlediska otěru in vivo; bohužel přesvědčivý důkaz až po mnoha provedených klinických testech. Muselo být revidováno >300 PTFE implantátů (otěr, nekróza, uvolnění). 1962: obchodník výrobce plastů Ruhrchemie přinesl PE ozubené kolo do Charnleyho biomechanické lab. Charnley pozoroval, že: a)PE má dobrou stabilitu v otěru, b)PE lze lubrikovat synuviální tekutinou. Použití MMA cementu a PE bylo další revolucí při operativní výměně kyčelního kloubu a přispělo k více než 90%ní úspěšnosti operací. In the 1950’s, Charnley discovered that natural joints exhibit boundary lubrication. He then attempted to find a synthetic material with similarly low frictional properties. His first choice, polytetrafluoroethylene, exhibited very poor in vivo wear properties. Unfortunately, these issues only became evident after a large clinical trial involving polytetrafluoroethylene implants had begun. More than three hundred polytetrafluoroethylene implants had to be revised due to poor wear properties, necrosis, and implant loosening. In 1962, a salesman from the German plastics manufacturer Ruhr Chemie brought polyethylene gears that were used in the nearby weaving factory to Charnley’s biomechanical laboratory. Charnley noted that: (a) polyethylene had good wear characteristics, and (b) polyethylene was capable of being lubricated by synovial fluid. The use of methylmethacrylate cement for attaching the implant to the surrounding bone and polyethylene revolutionized the practice of raised the success rate of joint replacement surgery to an exceptionally high level (>90%). 32

33 Charnleyho protetika news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/4949528.stm
Charnley's total hip replacement is considered the gold standard for joint replacement; few changes have been made to prosthesis design in past forty years. This design employs a metal-on polyethylene combination to reduce friction and self-curing bone cement to provide fixation. However, the Charnley prosthesis does have several disadvantages. One was an unacceptable rate of wear (about 200 µm/year). Metallic and, more commonly, polymeric wear particles cause a severe foreign-body reaction in the tissues that surround the prosthesis. news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/ stm Charnleyho protetika je „zlatým standardem“ v oblasti THR; za posledních 40 let doznala jen minimálních změn. Kombinace kov-na-PE snižuje frikci a samovytvrdi-telný cement provádí fixaci. Přeze vše měla tato protetika několik nevýhod: míra otěru byla nepřípustně vysoká (kolem 200mm/rok). Částice kovu a častěji polymeru vzniklé při otěru způsobují prudkou odpověď tkání v okolí protézy. 33

34 Dnes je mnoho výzev v oblasti biomateriálového inženýrství, např.:
1. Porézní povlaky 2. Bioaktivní keramika 3. Objemová kovová skla 4. Tkáňové inženýrství

35 Závěry Rozvoj kovových biomateriálů byl důsledkem evoluce
V polovině 19. stol. Lékaři začali se systematickými studiemi pro lepší pochopení interakce tkáň-kov. Vědci v oblasti chirurgie původně používali sériové kovové biomateriály k léčení svých pacientů. Moderní oblast biomateriálové vědy dluží hodně moc těmto pionýrským chirurgům.