Biomateri ály , umělé orgány a tkáňové inženýrství

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

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

3. e- e- + + + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- e- e- + + + + + + + + e- Model 1 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. A A A A A A A A A A B B B B B B B B C C C C C C A A A A A A A A B B B B B B C C C C C C C C A A A A A A A A A A Model 2: f.c.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.) 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 (900-1500oC).

6. Plošně centrovaná krychlová mřížka

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

8. Efektzrnitosti Graf znázorňuje vliv velikosti zrna na pevnost komerčně čisté titanové slitiny.YS=231+10.54 d-1/2kdemez kluzuje v MPa a d-1/2 průměrná velikost zrna v mm.

9. Plastickádeformace Nevratná Mez pevnosti Mez kluzu Lom Napětí  0 Deformace  Vratná elastickádeformace Tahové vlastnosti kovů 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. Mechanickévlastnosti kovů Typické mechanické vlastnosti některých kovů a slitin

11. 400 Běžná konstrukční ocel (měkká C-ocel) 300 Mez únavy Hliník Amplit. napětí s MPa 200 100 0 105 106 107 108 109 Počet cyklů vedoucí k lomu N Únavové vlastnosti kovů 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 ) Correspondence Variant A zahřív Correspondence Variant B ochlaz Correspondence Variant A deform zahřív Correspondence Variant A Fig. 2.15 Correspondence Variant B Correspondence Variant A

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

15. 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 rychlostirozpouštění 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 Největší kloub v těle. Systém hlavice – jamka; umožňuje různé typy pohybů: odtažení, přitažení, protažení, otočení, zkroucení apod.

19. Obecné důvody pro náhradu kyčelního kloubu PříčinaIncidence (%) • Osteoarthritis 60 • Dislokované zlomeniny 11 • Rheumatoidní arthritis 7 • Aseptická nekróza kosti 7 • Revizní operace 6

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. Relativněnenákladné 8. Elastické a mechanické vlastnosti srovnatelné s kostí

21. Dávná historie http://www.ibiblio.org/wm/paint/auth/bruegel/beggars.jpg 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.

22. John Rhea Barton 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.

23. John Rhea Bartonův pacient from page 2, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. Barton provedl první implantaci. Největším problémem = postoperační infekce. 1829 Levert 1829– první studie tkáňové tolerance ke kovům (Ag, Au, Pg, Pt); testy na psech, vítězem Pt.

24. Joseph Lister http://history.amedd.army.mil/booksdocs/misc/evprev/fig23.jpg 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. 1895 Lane dokázal, že obtíže při implantaci kovů lze minimalizovat správnou chirurg. technikou+aseptickým prostředím.

25. Hey-Groves zkoušel kovyk 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. Evropa byla kolébkou implantací kovů na přelomu 19. – 20. stol. 1913 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.

26. Sherman pozoroval selhání kovových destiček (testy na psu) 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.

27. Zierold ukázal na výhodnostCo-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. 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.

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. 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.

29. První Moorovyprotézy from page 14, Raymond G. Tronzo, Surgery of the Hip Joint, Lea and Febiger, Philadelphia, 1973. První zmínka o kovové náhradě ve femuru je z r. 1942. R. 1940 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. 1937. kovový implantát na bázi kobaltochrómové slitiny byl na světě.

30. Judetovaprotéza Implantát hlavice femuru z akrylu vyvinutá r. 1946 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. news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/4949528.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.

31. John Charnley 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)

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.

33. Charnleyho protetika news.bbc.co.uk/2/low/in_pictures/4949528.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.

34. Dnes je mnoho výzev v oblasti biomateriálového inženýrství, např.: 1. Porézní povlaky 2. Bioaktivní keramika 3. Objemovákovová 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.