Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství

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

1 Biomateriály, umělé orgány a tkáňové inženýrství
Lekce 5 Biokompozity Autor: Dr Ian Thompson Imperial College London

2 Úvod Biomateriály – komplexní, zahrnují všechny oblasti materiálové vědy a další vědecké discipliny. Kovy + slitiny – využívené v ortopedii, zubní lékařství, zátěžové materiály Keramika – využívána inertnost nebo naopak vysoká bioaktivita Polymery – náhrady měkkých tkání + nestrukturální (nenosné aplikace). Všechny biomateriály obvykle zachovávají rovnováhu mezi mechanickými vlastnostrmi nahrazovaných a biochem. efektem materiálu na tkáň. Obě oblasti důležité a klíč ke klinickému úspěchu. Ale ve většině (pokud ne ve všech) biologických systémech je vyžadován soubor vlastností: biologická aktivita, mechanická pevnost, chemická odolnost apod. proto může být tato klinická potřeba splněna pouze materiálem s komplexníí kombinací vlastností. Použití kompozitních technologií umožnilo biomateriálovým inženýrům vyvinout široké spektrum nových materiálů šitých na míru, biokompozitů, což slibuje zlepšení kvality života mnoha lidí.

3 Medline (leden 1966 až březen 1999) - 19,817 článků na téma „lékařské kompozity“.
Oddělené hledání 'dentálních kompozitů' poskytlo 9055 údajů (článků), a pouze 155 článků zahrnujících 'orthopedické kompozity'. Vlákna – dominující výztuž u údajů ale jen 489 článků obsahujících uhlíková vlákna a dokonce jen 333 pro skleněná vlákna.

4 Přírodně se vyskytující kompozity – měkké tkáně
My všichni obsahujeme přírodní kompozity. V makroměřítku jsou tvrdé a měkké tkáně z komplexní strukturního seskupení organických vláken a matrice. Měkké tkáně jsou vytvořeny z elastických (elastin) a neelastických (collagen) vláken s buněčnou mtaricí mezi vlákny[Totora & Grabowski, 1996]. Biologické struktury jako jsou šlachy spojující svaly s kostí, mají málo elastinu a tím dovolují přenos pohybu svalů na kost. Naopak vazy, spojující kos s kostí, mají vysoký obsah elastinu, a tak dovolují jak pohyb mezi kostmi, ale poskytují i dostatečnou podporu kloubům z hlediska zabránění jejich možné dislokace [Marieb, 1991]. Typické mechanické vlastnosti měkkých tkání viz následující tabulka. Na mikrposkopické úrovni mají přírodjní materiály převahu nad syntetickými.

5 Kolagen je hojná a proměnlivá bílkovina s identifikovanými 14 typy struktury.Všechny variace je vytvářely z molekul tropokolagenu které nejsou elastické. Molekula tropokolagenu je vytvořena ze 3 peptidových řetězců. Každý řetězec je tvořen 1/3 z glycinu,1/3 z prolinu a hydroxyprolinu a 1/3 z ostatních aminokyselin. Růlzné typy kolagenu se liší sekvenční variací a množstvím aminokyselin v alfa-řetězcích. Tři řetězce jsou zásadně stabilizovány van de Waalsovými vazbami a několika příležitostnými kovalentními vazbami a vytvoří se pravotočivá šroubovice (helix). Šroubovice je dlouhá 300nm in length a má 1.5nm v průměru se stoupáním „závitu“ nm. Molekuly tropokolagenu jsou uspořádány v sestavě se čtvrtinovým překryvem(26.5nm) a 37.5nm dírou na každém konci molekuly. Sekvence molekul tropokolagenu tvoří mikrofibrilu. Tyto mikrofibrily jsou organizovány paralelně a vytvářejí fibrilu kolagenu o průměru 50nm. Vlákna (fibrily) kolagenu jsou spleteny do tvaru jednoduchého pramene [Black, 1988]. Právě zesíťování mezi molekulami na každém stupni organizace určuje vysokou pevnost v tahu tohotot materiálu. Schéma tohoto uspořádání je uvedeno dále.

6 Mechanické vlastnosti měkkých tkání
Elastin je na buněčné úrovni tvořen podobně jako kolagen, avšak sekvence aminokyselin je primárně tvořena (55-70%) glycinem, alaninem a serinem, s residuálním zastoupením i ostatních aminokyselin. Elastinu chybí opakovací sekvencing běžný u kolagenu ve stádiu fibril, a tak jsou vlákna jen 5 – 7 mm dlouhá. Sekvence aminokyselin určuje značné hydrofobní chování materiálu, což ve výsledku vede k „zmačkané (crumpled)“ struktuře. Proto elastická povaha vláken není způsobena natahováním vazeb, nýbrž jde na vrub entropické síle [Black, 1988]. Mechanické vlastnosti měkkých tkání

7 Struktura měkkých tkání

8 Tvrdé tkáně Dva nejdůležitější typy přírodních kostí důlěžité pro strukturální stabilitu se nazývají kancelózní (cancellous) a kortikální (cortical). Kancelózní kost (také trabekulární, spongiózní neboli houbovitá kost) called trabecular or spongy bone) má strukturu podobnou houbě a připomíná isotropický materiál. Naopak kortikální kost má vysoce anisotropní vlastnosti s vyztužující strukturou orientovanou podélně s osou zátěže + vysoce organizované zásobení krví (Haversovy kanálky )[Black, 1988]. Všechny tvrdé tkáně tvoří 4 základní fáze uvedené dole; relativní podíl každé fáze závisí na typu kosti a funkčních podmínkách. Relativní hmotnostní zastoupení pro typickou kortikální kost je cca: Organická frakce – vlákna kolagenu (Typ 1) 16% Minerální fáze - Hydroxyapatite (HA) (Ca10(PO4)6(OH)2) 60% Základní substance 2% (viz dále) Voda %

9 Vlákna kolagenu – zajišťuje kostru a architekturu kosti; částice HA jsou mezi vlákny.
Základní substance – na bázi bílkovin, polysacharidů a mukopolysacharidů. Slouží jako cement vyplňující prostor mezi vlákny kolagenu a HA. Tyto složky jsou důležité a tvoří základní objem kosti („bulk“) , ale nezajišťují opravdovou „dynamickou část“ kosti. Tu tvoří dutiny naplněné tekutinou a obsahující buňky tvořící okolní kost (osteoblasty) a resorbují ji (osteoclasty). Právě tato část kosti určuje jejíá strukturu a stav jejího zdraví. Kolagen má stejnou ultrastrukturu jako v případě měkké tkáně Ovšem v kostech jsou zaplněny mezery mezi hlavou-ocasem (head-tail) u mikrovláken, a to krystaly hydroxyapatitu (Ca10(PO4)6(OH)2 ) o velikosti nm. Krystality mají délku 20-40nm a tloušťku cca 5nm s podélnou osou orientovanou podél délky vláken (viz obr.).

10 Další úroveň mikrostruktury kosti zahrnuje tyto formy:
1) Vláknitá (woven) kost. Je to nezralá forma vyvinutější lamelární kosti. Tato kost se tvoří velmi rychle a nemá určitou strukturu. Nacházíme ji v kostech fetu. 2) Lamelární kost. Tato kost je tvořena soustřednými kruhy zvanými osteony s centrálním přívodem krve (Haversův systém). Každý osteon tvořen 4-20 kruhy, každý kruh silný 4-7mm, různá orientace vláken v každé vrstvě. To dává osteonu vzhled sztřídajících se tmavých a světlých vrstev. Uprostřed kruhů je Haversův kanálek – přívod krve. Zatímco nejvzdálenější vrstva je cementová vrstva vytvořená ze základní substance, je méně mineralizovaná než zbytek kosti + nemá kolagenová vlákna. Tím pádem je to „slabé místo“ kosti – viz. obr.

11 Povrch kosti je pokryt periostem (okosticí)- vláknitá vrstva osteoprogenitorní buňky*. Druhá vláknitá vrstva, endost, je na vnitřním povrchu kostia zajišťuje přechod mezi kosztí a kostním morkem. Opět obsahuje osteoprogenitorní buňky. Tyto strukturní rysy jsou důležité z hlediska bioaktivních kompozitů. *Osteoprogenitorní buňky jsou kmenové buňky, které derivují z mezenchymu. Buňky jsou vřetenovitě protáhlé a nacházejí se na vnitřní straně periostu, dále v endostu a v kanálcích kompaktní kosti podél krevních cév. Buňky si uchovávají schopnost mitoticky se dělit a diferencovat se ve zralé kostní buňky. Různé mikrostrukturální variace pro kortikální a kancelózní kosti = široké meze mechanických vlastností. Není to jen komplexní struktura přírodních tkání, které je tak obtížné nahradit, ale i jejich dynamika. Všechny přírodní tkáně vyjma nervové jsou schopny regenerace po poškození + remodeling po změně zátěže ( např. zvýšení hmotnosti minerálů v kosti při cvičení – je pevnější )[Guyton, ]. U synthetických biokompozitů je největším problémem: 1. absence samoopravy 2. dynamika.

12

13 Struktury tvrdých tkání

14 Mechanické vlastnosti tvrdých tkání
SEM – femur, zobrazující hustou kompaktní a houbovitou porézní kancelózní (trabekulární) kost

15 Bioaktivní keramické kompozity
Během posledních 30 let se začaly keramické materiály široce využívat v mnoha medicínských aplikacíc – náhrady kyčelního kloubu, srdeční chlopně, zubní moimplantáty... [Hench & Wilson, 1993]. Biokeramika má řadu zajímavých vlastností – má všechny 4 typy odpovědi tkáně na implantát: toxický, biologicky inertní, bioaktivní, resorbovatelný. [Black, 1984].

16 Klasifikace interakcí tkáň –implantát
[Hench & Wilson, 1993]: 1) Téměř inertní - minimální interakce s tkáněmi hostitele, implantát je pokryt neadhesivní vláknitou tkání (jak se hostitel snaží sám izolovat od cizího tělesa). Fixace je špatná, pouze mechanickou interakcí. Toto je také známo pod názvem morfologická fixace (např. femorální hlavy z materálu alumina/zirkonia). 2) Porézní – fixace biologickým vrůstem hostitelských tkání do pórů impantátu. To se též nazývá biologická fixace. Příklad:? hydroxyapatit (HA) a Hatem pokryté kovy užívané jako dříky fermorálních implantátů). 3) Bioaktivní - fixace chemickou vazbou mezi implantátem a tkání hostitele (Příklad: bioaktivní skla, HA a bioaktivní sklokeramika pro dentální a ortopedické aplikace). 4) Resorbovatelné – implantát se rozpustí chemicky nebo je buněčně odstraněn z těla. Neexistuje žádná nfixace, jen nahrazení implantátu bilogickými tkáněmi (Příklad: trikalcium fosfát).

17 Relativní bioaktivita každého ze 4 typů interakcí je na následujícím obrázku [Hench, 1991]. Koncepce bioaktivní keramiky byla poprvé zavedena na konci 60. let 20. století [Hench et al, 1972], to vedlo ke standardní definici bioaktivity. „Bioaktivní materiál je ten, který vykazuje biologickou odpověď na rozhraní materiálu a tkáně a má (nebo nemá) za následek vytvoření vazby mezi tkání a materiálem. [Hench & Wilson, 1993]

18 Spektrum bioaktivity

19 Bioaktivní chování keramiky - třída A a třída B [Hench, 1994].:
Bioaktivita třídy A: „Biologický povrch implantátu je kolonizován osteogenickými kmenovými buňkami. Materiál vykazuje na rozhraní odpověď vně- i uvnitř buněk je. Tyto materiály nazýváme osteoproduktivními. Bioaktivita třídy B: biochemický mechanismus umožňuje růst kostní hmoty pouze podél implantátu, neboli materiál vykazuje pouze extracelulární odpověď na rozhraní . Tyto materiály nazýváme osteokonduktivními.

20 HA – osteokonduktivní Bioaktivní skla- osteokonduktivní a osteoproduktivní. (Žádný syntetický materiál není osteoinduktivní–pouze živá kost díly B MP). Hodnocení bioaktivity materiálů: Index of Bioactivity, IB [Hench 1991]. Je to čas, který je třeba k chemickému spojení (vazbě) implantátu a kosti na 50% rozhraní. Hodnoty IB = 100/ (čas nutný k vazbě u 50% rozhraní). Bioaktivní materiály třídy A: často> 8, také schopnost vazby na měkké tkáně Typické hodnoty IB jsou uvedeny v náledující tabulce.

21 Indexy bioaktivity pro komerční biokeramiku

22 Mechanické vlastnosti biokeramiky
Mechanické vlastnosti kostí – CES EDUPACK 2013

23 Mechanické vlastnosti biokeramiky
Mechanické vlastnosti komerční biokeramiky Je zřejmé, že biokeramika má jednak mají o něco nižší lomovou houževnatost, jednak má velmi rozdílný Youngův modul. Závěr: keramické materiály samy nejsou vhodné pro náhrady přírodních kostí.

24 Keramika sama nemá vhodné mechanické vlastnosti pro náhradu přírodní kosti. Případů těchto totálních náhrad je málo. Těžké nehody – zlomeniny kostí pouze na několik kusů: fixační pomůcky. Devastující zlomeniny – mnoho kousků – není místo k fixaci + poškození měkkých tkání a svalů ... Problémy – nefunkční končetina. Východiskem většinou amputace. Několik popsaných případů náhrady celých kostí – titanové slitiny.

25 Historicky byly první fixační nástroje pro zlomeniny (destičky a šrouby držící zlomeninu pohromadě během léčení) vyráběny z kovu [Grooms et al, 1996]. Ačkoliv mají kovy požadované mechanické vlastnosti, jejich vysoký modul způsobuje, že zátěž je více přenášena na kov než na kost. To má za následek menší zatěžování kosti a její resorpci (fenomén popsaný jako „odstínění napětí“ (stress shielding) [Cheal et al, 1992]. Proto začali výzkumní pracovníci vyvíjet plastické fixační pomůcky, z teflonu [Tonino et al, 1976], polyacetalů a polyesterů [Brown, 1981]. Tuhost těchto materiálů však není dostatečná proto, aby nedocházelo k mikroposuvům (mikropohybu) ve zlomenině. To mělo za následek vznik mnoha mozolů [Jockisch et al, 1992]. Výsledkem bylo hledání kompozitních materiálů které budou mít tuhost podobnou jako kost. Byly studovány hlavně dva typy výztuží: bioaktivní keramika a bioinertní keramika.

26 Bioaktivní kompozity typu keramika/polymer (CPC)
První biokeramické kompozity byly navrženy tak, aby byly srovnatelné s přírodními komponentami kosti, hydroxyapatitem (45% obj.) a kolagenem (55% obj.) [Bonfield et al, 1981]. Náhrada přírodního HA v kompozitu byla pomocí částicového HA vyrobeného synteticky, kolagen byl nahrazen polyethylénem (PE). Výsledný materiál byl původně navržen jako analog kosti spíše než pro nosné aplikace v ortopedických pomůckách. Všechny nové biomateriály, v nichž se vyskytuje systém HA/PE byly navrženy a rozvíjeny na podkladě klinických požadavků. Potenciální aplikace materiálu se hodně rozšiřují zejména tehdy, pokud je výzkum veden interdiscipliníárně. Kompozit HA/PE je jeden z těchto úspěšných materiálů také proto, že se na biomateriálovém výzkumu a vývoji podíleli spolu lékaři a materiáloví inženýři.

27 HAPEXTM Vývoj tohoto důležitého kompozitu probíhal v 5 fázích:
A) Pilotní studie ( ) – Byla připravena série kompozitů na bázi částicového HA a HDPE s objemovou frakcí v rozmezí 0.1 to 0.6. Výsledný Youngův modul se pohyboval v rozmezí1 -8 Gpa v závislosti na objemové frakci HA [Bonfield et al, , 1984]. B) Laboratorní testy ( ) – Opakované mechanické testy kompozitů ukázaly horní limit pro přídavek HA v objemové frakci 0.4, Výsledná lomová houževnatost byla srovnatelná s hodnotou kortikální kosti. Ovšem biologické in vivo testy kompozity prokázaly, že pokud je použita objemová frakce HA pod 0.2, materiál se stává inertním. Nelepivé vláknité pouzdro pokrývalo kompozit a nevytvořila se žádná chemická vazba bezi implantátem a tkání. Proto jako optimální byla vybrána objemová frakce HA 0.2 – [Bonfield et al, 1998]. Důležité byla samozřejmě i morfologie a velikost zrn, testy ale ukázaly že pro zrna o velikosti D50 = 4mm a o složité morfologii bylo dosaženo silné interakce mezi matricí a výplní jen samotným mechanickým zpracováním (tj. technologií). Metoda chemické interakce byla vyvinuta také, ale nebyla klinicky využita [Deb et al, 1996].

28 Lidské buňky podobné osteoblastům vypěstované na povrchu materiálu HAPEX. Buňky se přichycují k částicím HA v kompozitu. Dle: Primary author: Prof. Willaim Bonfield and Dr. Elizabeth Tanner. (Materials World, Vol. 5 no. 1 pp , January 1997).

29 C) Klinické zkoušky + pilotní výroba ( ) – Nezátěžový materiál na bázi HA-PE analogický kosti byl odzkoušen klinicky při rekonstrukci podočnicového prostoru (viz obr). Zkoušky ukázaly, že kompozit může být upraven chirurgem za použití jednoduchých chirurg. nástrojů. Význam: lepší fitting, lepší kontakt s tkáněmi. U dalších 50 pacientů aplikovány implantáty, úspěšně [Downes et al, 1991] [Tanner et al, 1994]. Materiál byl vyroben tažením na dvoušnekovém extrudéru – homogenní distribuce HA fáze v PE matrici. Úspěch prvních klinických testů následovala výstavba příslušné „čisté“ technologie na zpracování – dostavěno. D) Licence ( ) – Licenci na materiál koupila firma was licensed to Smith and Nephew plc jako náhradu kostí v ORL-chirurgii (ENT surgery – ear, nose, throat). Food and Drug Administration(FDA) následně materiál schválila pro použití v USA, britská technologie prosána do USA. E) Komercializace (1995 -) – Kompozit HA-PE dostal TM HAPEX [Bonfield, 1998].

30 RTG rekonstrukce podočnicového prostoru pomocí HAPEXTM

31 Náhrady kostí středního ucha
Původní idea použít HAPEXTM k rekonstrukci očnicového prostoru byla rozšířena do oblasti náhrad v oblasti středního ucha [Bonfield, 1996]. Přenos zvuku začíná bubínkem, na nějž jsou napojeny tři sluchové kůstky. Patří mezi ně kladívko (malleus), kovadlinka (incus) a třmínek (stapes). Řetěz kůstek přenáší zvuk od bubínku do vnitřního ucha - ploténka třmínku se dotýká oválného okénka v labyrintu. Ztráta převodu slyšení – neschopnost těchto tří kůstek přenést akustickou vibraci do hlemýždě (kochlea). všechny 3 kůstky se chirurgicky odstraní a nahradí se implantátem. Standardní materiálem – PTFE + další polymery [Plester, 1984]. Pokusy s Bioglass® (monolitem), jeddiný problém špatně se tvaroval na operačním sále [Wilson et al, 1995]. Klinický trh tak otevřen pro implantáty typu HAPEXTM.. Viz obr. – návrky parciální a totátní náhrady. Podobně jako Bioglass® monolit, HAPEXTM klinicky úspěšný.

32 Materiál HAPEX se dále rozvíjí – ve spolupráci s IRC in Polymer Science and Technology, Leeds (Interdisciplinary Research Centre), zkouší se nová technologie zpracování s cílem vyšší anizotropie materiálu (orientace PE makromolekul) Mechanické testy: Youngův modul 9GPa a pevnost v tahu 90 MPa [obr., Ladizesky et al 1996]. Druhá generace materiálu HAPEXTM může být tedy použita v zátěžových aplikacích – např. fixační destičky u rekonstrukce zlomenin.

33 Návrhy totální a částečné náhrady vodivých kůstek středního ucha (kladívko; Goldenburg and Richards)

34 Graf závislosti Youngova modulu na objemové frakci HA v materiálu HAPEXTM

35 …výzkum neustále pokračuje...
A multi-component fiber-reinforced PHEMA-based hydrogel/HAPEX™ device for customized intervertebral disc prosthesis Gloria, A., De Santis, R., Ambrosio, L., Causa, F., and Tanner, K.E. Journal of Biomaterials Applications, 25 (8), 2011. Choroby páteře způsobené degenerací meziobratlových plotének představují závažný lékařský problém ovlivňující celosvětově spoustu lidí. Arthroplastiku plotének lze považovat za „zlatý standard budoucnosti“ při léčení bolestí zad. Cílem studie bylo zlepšit technologii umělých plotének navržením inženýringu pilotní výroby náhrad (protéz) multikomponentních meziobratlových plotének. Materiálem je: kompozit na bázi hydrogelu z poly(2-hydroxyethyl metakrylátu)/polymethylmetakrylátu) (PHEMA/PMMA) (80/20 % hmot./hmot.), se semipenetrující polymerní sítí (s-IPN) vyztužený vlákny PET Dvě destičky z kompozitu HAPEX pro ukotvení multikomponentního implantátu k tělům obratlů.

36 Bioglass®/ Polymer bioaktivní kompozity
Stejná technologie použitá pro výrobu kompozitu částice/polymer s názvem HAPEXTM, byla aplikována u bioskel a biokeramiky jako druhé fáze Tyto materiály jsou důležité proto, že mohou poskytnout dlouhodobou mechanickou podporu a stabilitu defektnímum místu v kosti podobně jako HAPEXTM , přičemž mají zvýšené osteoproduktivní vlastnosti k urychlení vazby s kostí. Vzhledem ky vysokému indexu bioaktivity u bioskel, kompozity s s druhou fází z bioskla mohou být také využity při opravách struktur měkkých tkání. Ve výzkumu bioaktivních kompozitů se nejvíce uplatňují dvě polymerní matrice: polyethylen a polysulfon (např. systémy Bioglass® /PE [Wang et al, ], [Huang et al, l995], [Reis et al, 1996] a polysulfon [Orefice et al, 1995] and A/W sklokeramika s PE [Wang et al, 1996]. Mechanické vlastnosti těchto 3 materiálů viz následující tabulka:

37 Mechanické vlastnosti bioaktivních kompozitů typu Bioglass®/ Polymer
Kompozit typu Bioglass®/polysulfon (BG/PS) ukazuje značný nárůst modulu elasticity ve srovnání s HAPEXem, BG-PE a kompozitem A/W sklokeramika/PE (viz obr.). Systém BG/PS tak více odpovídá modulu kortikální kosti. Typické vlastnosti materiálů na bázi Bioglass®/Polysulfon viz dále.

38 Mechanické vlastnosti bioaktivních kompozitů typu Bioglass®/ Polymer
Výběr materiálů

39 Kompozity typu Bioglass®/ Polysulfon

40 Tříbodová zkouška ohybem vzorků kompozitu Bioglass®/ Polysulfon (bez selhání)

41 Hlavní proměnnou podobně jako u většiny kompozitů je objemová frakce výztuže (bioaktivní sklo) k matrici (polymer). Přídavek materiálu o vysoké tuhosti a pevnosti by měl zvýšit pevnost kompozitu. Avšak mechanické testy kompozitů naopak ukázaly, že celková pevnost materiálu se snížila. Obrácený vztah mezi objemovou frakcí skla/polysulfonu a pevností materiálu platí proto, že angulární (ostrohranné) částice vytvářejí iniciační místa trhlin v polymerní matrici [Orefice et al., 1995]. Tento efekt byl pozorován i u systému HA/matrice PE. Odtud vyplývá, že je důležité snižovat počet iniciačních míst trhlin. Kulatá a menší keramnické částice plniva (výztuže) mohou být řešením, neboť snižují iniciaci vzniku trhlin. Ovšem iniciace trhlin není jediným mechanismem vedoucím k selhání materiálu; důležitá může být též vazba mezi matricí a výztuží.