biomateriały metaliczne
advertisement
WYDZIAŁ MECHATRONIKI Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki INŻYNIERIA MATERIAŁOWA W BIOMECHANICE Prezentację przygotował Wojciech Pręgowski gr.M54 APARATURA BIOMEDYCZNA PODSTAWOWE DEFINICJE Biomateriały to każda substancja inna niż lek albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadanie jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek narządu albo jego części lub spełniania ich funkcji Biomechanika jest nauką o wewnętrznych i zewnętrznych siłach działających na ciało ludzkie i ich skutkach. Biomechanika ułatwia zrozumienie normalnego funkcjonowania organizmu oraz pozwala przewidzieć zmiany w przypadku sztucznej interwencji Inżynieria Materiałowa jest nauką zajmującą się relacją między budową a właściwościami materiałów oraz możliwością zastosowania ich w konkretnych przypadkach BIOMATERIAŁY PRZY DOBORZE MATERIAŁÓW BIERZE SIĘ POD UWAGĘ: • biozgodność oraz biotolerancję dla danego osobnika • własności mechaniczne i wytrzymałościowe • stopień kontaktu z ciałem ludzkim (stopień inwazyjności) • oddawanie energii lub substancji do ciała lub na ciało • okres zastosowania • możliwości wykonawcze • ekonomiczność rozwiązania BIOMATERIAŁY Właściwości charakteryzujące biomateriały: • fizyczne (gęstość, lepkość, przewodność cieplna i elektryczna) • mechaniczne (wytrzymałość, sprężystość, odporność zmęczeniowa) • technologiczne (obrabialność, kształtowanie powierzchni) • odporność korozyjna • biologiczne (biozgodność, biotolerancja) • finansowe (możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania) BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY MATERIAŁY METALICZNE Wymagania : • Wysoka odporność na korozję • Dobra jakość metalurgiczna i jednorodność • Zgodność tkankowa (nietoksyczność) • Odporność na zużycie ścierne • Brak tendencji do tworzenia zakrzepów • Odpowiednie własności elektryczne • Odpowiednie własności wytrzymałościowe MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: Rogers rok 1827 - zespolenie kości w postaci ściegu Listers rok 1877 - zespolenie kości za pomocą trzpieni srebrnych / zwrócił uwagę na septyczność implantów Hausman rok 1886 - po raz pierwszy użyto płytki ze srebra i mosiądzu, które połączono z kością przy pomocy śrub MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: bracia Lambotte rok 1907 - po raz pierwszy zwrócono uwagę na problem wchłaniania metalu do kości tzw. metalozy Sherman rok 1912 – udoskonalanie konstrukcji aatabilizatora poprzez wprowadzenie płytek z aapoprzecznym wyżłobieniem ze stali aawanadowej MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: Hausman rok 1886 bracia Lambotte rok 1907 Sherman rok 1912 MATERIAŁY METALICZNE Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W) Bardzo wysoka odporność na korozję Własności mechaniczne zależne od domieszek MATERIAŁY METALICZNE Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W) Zastosowanie: •Endoprotezy stawowe •Płytki •Wkręty •Groty •Druty MATERIAŁY METALICZNE Płytki i wkręty płytki wkręty MATERIAŁY METALICZNE Płytki i wkręty MATERIAŁY METALICZNE Stabilizatory Stabilizator nadgarstka Stabilizator stawu łokciowego MATERIAŁY METALICZNE • Tytan i jego stopy Ti-6Al-4V (Protasul 64WF), Ti-6Al-7Ni Mniejszy ciężar niż stopy Fe lub Co Bardzo wysoka wytrzymałość MATERIAŁY METALICZNE • Tytan i jego stopy Ti-6Al-4V (Protasul 64WF), Ti-6Al-7Ni Zastosowanie: •Endoprotezy stawowe •Elementy do zespalania odłamów kości •Protetyka stomatologiczna •Kardiochirurgia MATERIAŁY METALICZNE • Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) Zastosowanie: •Ortodoncja (korekcja wadliwego zgryzu) •Stabilizator do leczenia skolioz •Tulejki dystansowe kręgosłupa •Implanty krótkotrwałe MATERIAŁY METALICZNE • Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) nie zawsze dokładne odwzorowanie pierwotnego kształtu problemy z biotolerancją (Nikiel) MATERIAŁY METALICZNE Klamra z pamięcią kształtu klamra złamanie śródstopia MATERIAŁY METALICZNE • Aluminium i jego stopy Niewielki ciężar Łatwość formowania, obróbki Niski koszt wytworzenia Zastosowanie: np. Do konstrukcji ortez MATERIAŁY METALICZNE • Orteza aluminiowa pokryta pianką i materiałem BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY TWORZYWA SZTUCZNE MECHANICZNE ZESPALANIE KOŚCI Poliamidy (gwoździe poliamidowe) Nie daje odczynów zapalnych Łatwy do formowania (np.nożem operacyjnym) Rozgrzany do temp. 60 C daje się dowolnie kształtować O TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Wymagania stawiane klejom: • Duża wytrzymałość na wpływy wewnątrz ustrojowe • Brak toksycznego wpływu na otaczające tkanki • Duża przylepność do tkanki kostnej • Porowatość dla zachowania wzrostu nowych komórek kostnych TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Zastosowanie: • Leczenie świeżych i zastarzałych złamań • Usztywnianie stawów • Zespalanie operacyjnie przeciętych kości TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Pierwsze próby: Hedri 1931 leczenie złamań i stawów rzekomych klejem „Ossocol” TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Żywice epoksydowe Pierwsze próby Golowin (ZSRR) 1956 Osteoplast – zywica epoksydowa+mąka kostna+ proszek fibrynowy Brak infekcji Dobra biotolerancja Trudności z rozkładaniem się w organizmie nowa tkanka nie przerastała żywicy TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Żywice metakrylowe Pierwsze próby Hulliger 1962 Palacos – szybko twardniejące tworzywo termoplastyczne Brak infekcji Dobra spójność z tkanką kostną Przy mieszaniu składników reakcja egzotermiczna 96 O C / w celu obniżenia konieczne było skrapianie zimnym roztworem soli fizjologicznych/ TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe Obecnie stosowane Dwuskładnikowe polimer (proszek) + monomer (składnik ciekły) Dobre własności mechaniczne Dobra spójność z tkanką kostną Dobra biotolerancja TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe Obecnie stosowane Dwuskładnikowe polimer (proszek) + monomer (składnik ciekły) zła reakcja tkanek na ciepło uwalniane w trakcie polimeryzacji zatrucie organizmu monomerem nagłe obniżenia ciśnienia tętniczego krwi podczas wstrzykiwania cementu TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe firmy Codman and Shurtleff TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe firmy Howmedica International TWORZYWA SZTUCZNE PROTEZOWANIE ŚCIĘGIEN I MIĘŚNI Po zszyciu ścięgna powstają czasem powikłania w postaci zrostu z tkankami otaczającymi. Celem zapobiegnięcia stosuje się: płytki przeciwzrostowe: - celofanowe - akrylowe - teflonowe - z włókien poliestrowych BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY MATERIAŁY CERAMICZNE Własności: • Wysoka porowatość (łatwe wrastanie tkanek) • Gęstość i współczynnik jak dla kości • Odporne na ściskanie • Odporne na korozję • Kruchość MATERIAŁY CERAMICZNE MATERIAŁY CERAMICZNE Z KONROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIŹMIE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE OBOJĘTNE MATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE • Ortofosforany wapnia, hydroksyapatyty Zastosowanie: • Dzięki zawartości pierwiastków przechodzących do struktur tkankowych służą jako rusztowanie lub wypełniacz rekonstruującej się tkanki kostnej MATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE • Ortofosforany wapnia, hydroksyapatyty Brak konieczności stosowania operacji usuwania materiału zespalającego po uzyskaniu zrostu kostnego Niewielkie koszty wytworzenia W procesie resorpcji zmienia się skład chemiczny ceramiki co wiąże się z obniżeniem jej wytrzymałości MATERIAŁY CERAMICZNE Z KONTROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIZMIE • bioszkła i materiały bioszklano-ceramiczne • Ich skład chemiczny i fazowy jest tak projektowany aby powierzchnia implantu reagując ze środowiskiem tkankowym wytworzyła reakcje w w wyniku których powstaną połączenia substancji organicznych z nieorganicznymi MATERIAŁY CERAMICZNE OBOJĘTNE • tlenek glinu Al2O3, węgle pirolityczne Zastosowanie: • Elementy endoprotez • Ortodoncja MATERIAŁY CERAMICZNE OBOJĘTNE • tlenek glinu Al2O3, węgle pirolityczne Własności: • Wykazują minimalne zmiany chemiczne w kontakcie z tkankami i roztworami fizologicznymi Wysoka biotolerancja Wysoka wytrzymałość: ściskanie, zginanie BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY KOMPOZYTY BIOMATERIAŁÓW Kompozyty na osnowie ceramicznej aa ze zbrojeniami metalicznymi np. Bioglass • Dzięki połączeniu własności różnych materiałów uzyskuje się polepszenie: wytrzymałości biotolerancji, niezawodności połączenia z kością KOMPOZYTY BIOMATERIAŁÓW NOWOCZESNA ENDOPROTEZA Porowata ceramika Rdzeń metaliczny Gładka ceramika lub plastik NOWOŚCI ORAZ KIERUNKI BADAŃ poli(akrylonitryl) – polimer kurczliwy (sztuczne mięśnie) poli(glicerolo-sebacynian) – biorozkładalny polimer z pamięcią kształtu (zespalanie kości) badania mikrotrybologiczne nad współpracą między powierzchniami różnych materiałów BIBLIOGRAFIA R. Będziński Biomechanika inżynierska Zagadnienia wybrane, OWPWroc. Wrocław 1997 J. Marciniak Biomateriały, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002 Biomateriały, tom 4 Maciej Nałęcz, WKiŁ 1990 Warszawa http://www.codmanjnj.com/PDFs/neurodisp.pdf http://www.biomat.krakow.pl/katedra/dydakt_ib.html http://riad.usk.pk.edu.pl/~naszapol/archiwum/NR33/TEXT/25_27.htm A. Białas Medycyna Praktyczna, nr 6 (100) VI 1999 – Horyzonty medycyny http://www.akces-med.com/o_sl.html DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Wojciech Pręgowski
