inżynieria tkankowa

advertisement
INŻYNIERIA
BIOMATERIAŁOWA
1
Inżynieria biomateriałów jest interdyscyplinarną dziedziną
wiedzy, łączącą w sobie obok inżynierii materiałowej
elementy medycyny, biomechanikę, mikrobiologię i
immunologię.
Inżynieria biomateriałów zajmuje się więc wytwarzaniem
(syntezą, strukturą, właściwościami) materiałów
dla medycyny, czyli materiałów, które mogą ratować życie,
poprawiać jego komfort, czy też przyczyniać się
do jego wydłużania.
2
Biomechanika
Genetyka
Mikrobiologia
Biochemia
Medycyna
Inżynieria
biomateriałów
Farmakologia
Inżynieria komórki
Informatyka
Cybernetyka
3
WYMAGANIA STAWIANE BIOMATERIAŁOM:
•
•
•
•
•
•
•
Biologiczne - biozgodność, aktywność
biologiczna
Mechaniczne - wytrzymałość, sprężystość,
wytrzymałość zmęczeniowa
Stan powierzchni - odporność korozyjna,
morfologia powierzchni
Tribologiczne - odporność na zużycie,
współczynnik tarcia
Technologiczne - obrabialność, kształtowanie
powierzchni
Fizyczne - gęstość, lepkość, przewodność
cieplna i elektryczna, właściwości
magnetyczne
Cena
4
BIOMATERIAŁ to każda substancja
inna
niż
lek
albo
kombinacja
substancji
syntetycznych
lub
naturalnych, która może być użyta w
dowolnym okresie, a której zadaniem
jest uzupełnienie lub zastąpienie
tkanek narządu albo jego części lub
spełnienia ich funkcji.
5
Sztuczne oko
Protezy chrząstek
nosa, ucha, bródki
Implanty zębne
Implant ślimakowy
Implanty chrząstek
stawowych
Sztuczne płuco
Protezy piersi
Stymulator
oddychania
Trzustka
Sztuczne serce
Endoprotezy
Proteza ręki
Pęcherz moczowy
Proteza członka
Sztuczna skóra
Sztuczne naczynia
Protezy nogi
i stawów
6
MATERIAŁY I PROCESY INSPIROWANE
PRZEZ ORGANIZMY ŻYWE
PROCESY BIOMIMETYCZNE – NARASTANIE HYDROKSYAPATYTU
EFEKT:
™ Właściwości fizyczne i chemiczne
zbliżone do naturalnych tkanek,
nieosiągalne przy użyciu
zwykłych technologii
x 5000
b Hydroksyapatyt
na podłożu
celuloza -TEOS
po 30 dniach inkubacji
a
x 500
7
BIOMIMETYKA – NAŚLADOWANIE STRUKTUR I PROCESÓW
WYSTĘPUJĄCYCH W ORGANIZMACH ŻYWYCH
Struktury laminatowe i włókniste
Struktury gradientowe (gradient porowatości,
modułu Younga, bioaktywności)
Struktury inteligentne
Procesy narastania hydroksyapatytu w SBF
a
8
BIOMIMETYKA - MATERIAŁY I PROCESY INSPIROWANE
PRZEZ ORGANIZMY ŻYWE
FUNKCJE BIOMECHANICZNE
budowa struktur:
- laminatowa, złożona na przemian z twardych i miękkich warstw
wzorzec dla syntetycznych kompozytów warstwowych
- sieci wzajemnie przenikających się włókien
wzorzec dla kompozytów włóknistych
1D
MIĘSIEŃ
(struktura włóknista)
2D
3D
9
INŻYNIERIA TKANKOWA
INŻYNIERIA
TKANKOWA
™ Materiały biologiczne
™ Biologia komórki
™ Biochemia
™ Inżynieria biomedyczna
™ Transplantologia
LUDZKIE TKANKI
I NARZĄDY ZASTĘPCZE
komórki
matryca
Materiały na podłoża:
• polimery resorbowalne
• ceramika bioaktywna
• kompozyty węglowo-polimerowe
i ceramiczno-polimerowe
10
INŻYNIERIA TKANKOWA
Podłoża z polimerów
resorbowalnych
KOMÓRKI:
Osteoblasty-kość
Chondrocytychrząstka
Hepatocyty-wątroba
Enterocyty-jelito
Komórki nabłonka
dróg moczowych
-moczowód
HODOWLA KOMÓREK
I IMPLANTACJA
hodowle komórkowe in vitro
implantacja in vivo
NOWE TKANKI:
Kość
Chrząstka
Wątroba
Jelito
Moczowód
11
Kość jako naturalny biomateriał
SUBKOSTNE ZEWNĘTRZNE
BLASZKI UŁOŻONE OBWODOWO
OKOSTNA
PŁYTKI POMIĘDZY
KANAŁAMI HAVERSA
NACZYNIA WŁOSKOWATE
W KANAŁACH HAVERSA
ŻYŁA
TĘTNICA
NACZYNIA WŁOSKOWATE W KANAŁACH VOLKSMANNA
12
Reakcja organizmu na
zaimplantowany materiał
Od 1 sekundy do 1 godziny
Od 30 minuty do 2 dnia
Adsorpcja protein
Atak komórek
(neutrofile,makrofagi)
Od 2 dnia do 10 dnia
3 tydzien +
Wydzielanie cytokininy
Tworzenie się wielkich komorek
Zwarta, nieunaczyniona
kolagenowa kapsuła
13
Materiały stosowane w
implantologii
Obecnie najczęściej używa się stopów tytanu (Ti-6Al-4V)
oraz stali austenitycznej (316 L).
W nowej generacji stopów znalazły się takie, które mają
mniejszy moduł sprężystości oraz większą biotolerancję:
Ti-12Mo-6Zr-2Fe
Ti-15Mo-5Zr-3Al
Ti-15Mo-3Nb-30(21SRx)
Ti-13Nb-13Zr
Ti-15Mo-3Nb-0.2Si itd.
14
0
materiał
Bioceramika
hydroksyapatytowa
Ti-15Mo-3Nb30(21srx);
Ti-12Mo-6Zr-2Fe
Ti-13Nb-13Zr
czysty tytan
stop Co-Cr-Mo
stal nierdzewna 316
kość zbita
moduł Younga [GPa]
Materiały stosowane w
implantologii
WARTOŚCI MODUŁÓW SPRĘŻYSTOŚCI
250
200
150
100
50
15
Materiały stosowane w
implantologii
Najmniej rozwiązane są problemy relacji implantu z
tkanką kostną
Czynniki wpływające na tą relację:
• biochemia
• stan tkanki
• metabolizm tkanki
• uwarunkowania genetyczne
• struktura wierzchnia
- porowatość
- chropowatość
- przyjazne pierwiastki
16
Warstwa powierzchniowa
implantów
Biofunkcyjność (odporność na ścieranie)
CELE
Bariery dyfuzyjne (podwyższenie odporności na korozję)
Poprawa osteointegracji (ceramiczne warstwy bioaktywne)
Komórki kostne wykazują dużą wrażliwość na podłoże,
na którym mają wzrastać i różnicować się !!!
Jaka warstwa byłaby przyjazna, odpowiednio
odkształcalna i wytrzymała (zwłaszcza zmęczeniowo) ??
17
Warstwa powierzchniowa
implantów
Można wyróżnić cztery
typy warstw pośrednich:
™ warstwy dyfuzyjne związków tytanu
™ warstwy diamentowe (NCD, DLC)
™ powłoki hydroksyapatytowe
™ warstwy kompozytowe (nowość)
18
Warstwa powierzchniowa
implantów
Sposoby nanoszenia warstw:
¾ metody wykorzystujące plazmę, fotony i jony
ƒ procesy PDT – Plasma Diffusion Treatment;
ƒ RFCVD – Radio Frequency Chemical Vapour Deposition;
ƒ MWCVD – Microwave CVD;
ƒ PLD – Pulsed Laser Deposition;
¾ metoda zol-żel
19
Warstwa powierzchniowa
implantów
Niestety występuje nadal wiele problemów:
¾ odspajanie się warstwy
¾ jej pękanie (zwłaszcza w przypadku HA)
¾ bioelektryczne niedopasowanie
¾ występowanie efektu piezoelektrycznego
¾ optymalny dobór struktury
20
Problemy współczesnej
implantologii
Szybka degradacja i postępująca dysfunkcja implantu
Zanikanie otaczających implant tkanek
Międzyfazowa stabilizacja z tkanką gospodarza
Biomechaniczne i bioelektryczne niedopasowanie
(moduł Younga, przewodnictwo elektryczne)
Brak zdolności do samoreparacji
Brak zdolności do modyfikacji struktury i właściwości w odpowiedzi
na działanie mechanicznych obciążeń (funkcjonalna adaptacja)
Podtrzymywanie stabilnego przepływu krwi – atrombogenność
21
Endoproteza stawu
biodrowego
22
B
A
C
23
24
25
26
27
28
PDN Prosthetic Disc Nucleus
Proteza „hydrauliczna”
(żelowa część wewnętrzna zamknięta w polietylenowym koszyku)
29
PDN Prosthetic Disc Nucleus
30
Link SB Charité Disc
Polietylenowy krążek znajduje się
pomiędzy dwoma metalowymi
podstawami
31
The Prestige disc
The Prestige disc is a metal-on-metal design (stainless steel)
32
33
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Create flashcards