Aplikace kompozitů v biomateriálech Bc. Jiří Janeček KMM/BM 5.5.2014

Přehled Kompozity v tkáňovém inženýrství Definice kompozitu Kompozity v kostním tkáňovém inženýrství Kompozity v cévním tkáňovém inženýrství Kompozity v nervovém tkáňovém inženýrství

Definice kompozitu Kompozitní materiál, zkráceně kompozit je obecně vzato materiál ze dvou, nebo více substancí s rozdílnými vlastnostmi, které dohromady dávají výslednému výrobku nové vlastnosti, které nemá sama o sobě žádná z jeho součástí

Kompozity v kostním tkáňovém inženýrství (1) Výplně kostních defektů: Keramika - fosforečnan vápenatý Hydroxyapatit - fosforečnan vápenatý Biokeramické sklo - 45S5 Bioglass ® bioaktivní struktura Polymery: přírodní – kolagen typu I Syntetické : PLA - Kyselina polymléčná PGA - Kyselina polyglykolová PLGA - Kyselina polymléčná-ko-glykolová PPF - polypropylen-fumarát PHA - polyhydroxyalkanoát + polymer

Kompozity v kostním tkáňovém inženýrství (2) Výhody kompozitních výplní kostních defektů Nevyvolává napěťové stínění jako kovy Vhodná porezita povrchu a kinetický rozpad Zvýšená osteokonduktivita (osteokonduktivita = struktura vzájemně propojených makropórů požadované velikosti (100-500 μm) usnadňující vrůstání kosti)

Kompozity v cévním tkáňovém inženýrství (1) Srdeční chlopně Mechanické Samotná chlopeň je patří operovanému člověku (vzácně) - (autograft) Chlopeň od dárce - (homograft, alograft) Chlopeň použitá z jiného živočíšného druhu (prasete, krávy) - (xenograft) Ve vývoji: PGA síťoviny potažené PB4H PH4B = poly - 4 - hydroxybutyrát Studie použití těchto chlopních konstrukcí prokázaly schopnost buněk odvozených z ovčí kostní dřeně přežít a vytvářet tkáň s mnoha funkčními podobnostmi s přirozenými chlopněmi

Kompozity v cévním tkáňovém inženýrství (2) Srdeční chlopně Obr.1 – implantáty srdečních chlopní

Kompozity v cévním tkáňovém inženýrství (3) Cévní systémy Požadované vlastnosti pružnost poddajnost Syntetické kompozity expandovaný polytetrafluorethylen (ePTFE) používaný téměř 30 let nekompaktibilní konstrukce -> nesoulad s přírodními cévami Expandovaný polytetrafluorethylen (ePTFE) potažený fosfolipidovým filmem V porovnání s nekompozitním implantátem má kompozitní implantát stabilný ve vysokých smykových rychlostech brání usazování destiček a fibrinogenu a trombu

Kompozity v cévním tkáňovém inženýrství (4) Cévní systémy Přírodní kompozity (vývoj) Kompozitní složení kolagenu a fibrinu lepší mechanické vlastnosti než složení tvořené pouze ze samostatné čisté složky architektura tkáně je více podobná přírodním cévám, ale v současné době nemají dostatečnou pevnost pro klinické použití

Kompozity v nervovém tkáňovém inženýrství (1) Centrální nervový systém (CNS) Po úrazech vznikají na CNS tzv. gliální jizvy, které neumožňují pronikání potřebných neuronů Neuron = nervová buňka Snaha o vytvoření substrátů, kterými se vyplní dutiny v CNS, a které umožňují pronikání neuronů a novotvoření tkáně, aniž by ovlivňovaly hematoencefalickou bariéru nebo podněcování dalších zánětů v tak nepříznivém prostředí.

Kompozity v nervovém tkáňovém inženýrství (2) HA - laminin gely HA = kyseliny hyaluronové; Lamin =  glykoprotein Funkce: redukci gliálních jizev zvýšené začlenění do okolní tkíně zvýšená buněčná infiltrace (zvýšené pronikání buněk do okolní tkáně) zvýšená angiogeneze (proces novotvorby krevních kapilár)

Závěr Kompozity získaly své místo v oblasti tkáňového inženýrství v důsledku nedostatku jednotlivých biomateriálů, které by splňovaly multifunkční potřeby regenerující tkáně. Mnoho úspěšných aplikací existuje v kostních a neurologických systémech, kde prospěšné vlastnosti jednotlivých složek kompozitních systémů působí synergicky v kombinaci, prokázaly zvýšenou biologickou aktivitu a zvýšenou integraci do hostitelské tkáně. Kompozity cévního systém, především srdečních chlopní, mají omezenější pozitivní výsledky, protože nedostatky každého materiálu jsou smíšeny v současné době převažují nějaké aditivní zisky.

Děkuji za pozornost

Zdroje [1] DAVIS, H.E. a J.K. LEACH. Topics in Multifunctional Biomaterials and Devices: Hybrid and Composite Biomaterials in Tissue Engineering. [online]. 2008 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.oulu.fi/spareparts/ebook_topics_multifunctional/abstracts/davis.pdf [2] CMAJ: Transcatheter heart-valve replacement: update [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.cmaj.ca/content/182/8/791/F1.expansion.html [3] DOMINIK, Jan. Interní medicína pro praxi: MECHANICKÉ SRDEČNÍ CHLOPNĚ VERSUS BIOPROTÉZY [online]. 2006 [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2006/12/04.pdf [4] Euromise: Biokompatibilita [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://ucebnice.euromise.cz/index.php?conn=0§ion=biomech&node=node106 [5] Wikipedie: Homeostáza [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Homeost%C3%A1za