پلیمر در مهندسی پزشکی

1. پلیمر در مهندسی پزشکی مصطفی قلیچ اوغلی دانشگاه علوم پزشکی کرمانشاه پاییز 90

2. فهرست • معرفی پلیمرها • تعریف • مزایا و خصوصیات مطلوب • دسته بندی • ایزومری • پلیمریزاسیون • کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی • کاشتنی های بافت نرم • نخ بخیه • پوست مصنوعی

3. فهرست • کاشتنی های سری صورتی • کاشتنی های گوش • کاشتنی های چشم • کاشتنی های انتقال دهنده ی سیالات • کاشتنی های مرتبط با خون • رگ مصنوعی • دریچه مصنوعی قلب • پیس میکر • کاشتنی های بافت سخت • مواد قالب گیری • تثبیت کننده های خارجی استخوان • وسایل ترمیم شکستگی ها در ناحیه ی مغزی استخوان

4. فهرست • سیمان استخوان • مفصل ران • کاشتنی های دندانی • مکانیسم های رهایش دارو

5. معرفی پلیمرها تعریف • دسته ای از مواد با ریشه ی آلی یا غیر آلی • درشت مولکولی با زنجیره ای از اتم ها (مونومر) که توسط پیوند کووالانسی به هم متصل شده اند.

6. معرفی پلیمرها • اتیلن : مونومر • از ترکیب دو مولکول اتیلن بوتن تشکیل می شود : دیمر • سه مولکول اتیلن : تریمر • ترکیب n مولکول اتیلن:پلی اتیلن • 2(CH2=CH2) → CH2 = CH - CH2 – CH3

7. معرفی پلیمرها تعریف • درجه ی فعالیت (functionality) : تعداد مکان های موجود برای انجام واکنش در یک پلیمر • گروههای انتهایی (end group) : در دو انتهای زنجیره ی پلیمری قرار می گیرند تأثیر چندانی روی خواص پلیمر ندارند OH COOH NH2 هیدروکسیل کربوکسیل آمین

8. معرفی پلیمرها مزایا (نسبت به بیومتریالهای سرامیکی و فلزی): • راحتی ساخت و تولید اشکال متفاوت • راحتی انجام عملیات ثانویه روی آن ها • هزینه ی منطقی • قابلیت دسترسی به مواد با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب • خصوصیات مطلوب: • زیست سازگاری (عدم سرطان زایی، تب زایی، پاسخ آلرژیک و...) • قابلیت سترون شدن (اتوکلاو، حرارت خشک، گاز اتیلن اکسید و تابش) • قابلیت ساخت • داشتن خواص فیزیکی مناسب (استحکام، الاستیسیتی و پایداری)

9. معرفی پلیمرها • هموپلیمر • کوپلیمر • دسته بندی پلیمرها • متشکل از یک نوع مونومر • از نظر اتم های تشکیل دهنده • از نظر اتم های تشکیل دهنده خطی • متشکل از چند نوع مونومر • ازنظر آرایش ساختاری • ازنظر آرایش ساختاری شاخه ای شبکه ای

10. معرفی پلیمرها • دسته بندی پلیمرها • ---A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A--- خطی خطی شاخه ای شاخه ای شبکه ای شبکه ای

11. معرفی پلیمرها ایزومری • ایزومر: ترکیباتی هستند که از نظر فرمول شیمیایی یکسان ولی از نظر ساختار واقعی متفاوتند. • ایزومری در پلیمرها: گروههای متصل به گروه اصلی به صورت تصادفی قرار گرفته اند • Atactic • Atactic گروههای متصل به گروه اصلی در یک طرف صفحه قرار دارند. • فضایی • فضایی • Isotactic تنوع در ایزومرها به نحوه ی قرار گیری گروههای فرعی نسبت به صفحه ی عبوری از زنجیره ی اصلی بستگی دارد. • Isotactic گروههای متصل به گروه اصلی به صورت یک درمیان در دو طرف صفحه قرار دارند. • هندسه ای • Syndyotactic • Syndyotactic

12. معرفی پلیمرها ایزومری H H CH3 H C C • فضایی C C • سیس • سیس CH3 H CH3 CH3 با توجه به نحوه ی قرار گیری گروههای جانبی در یک پیوند دوگانه بدست می آید • هندسه ای • هندسه ای • ترانس • ترانس

13. وجود گروههای عاملی معرفی پلیمرها • حضور باند دوگانه یا سه گانه پلیمریزاسیون • تعریف: فرآیندی است که در آن مونومرها از طریق واکنش های شیمیاییبا یکدیگر ترکیب شده و تشکیل پلیمر می دهند. • شرط: وجود عاملیت حداقل 2 CH2+ H2 CH3CH3 CH2 OH COOH NH2 هیدروکسیل کربوکسیل آمین NCO SH

14. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون

15. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای: • در این روش مولکولها در یک واکنش خود به خودی و خیلی سریع در طول یک واکنش زنجیره ای به هم متصل می شوند. • این واکنش محصول فرعی ندارد و محصول همان ترکیبات عناصر مونومر را دارد. • دو عاملیتی توسط باند های دوگانه تامین می شود؛ بنابراین ترکیباتشامل باند های دوگانه (مانند ترکیبات وینیل، آلیل و اولفین ها) می توانند در این نوع پلیمریزاسیون شرکت کنند. • چون اکثریت این مونومرها در گروه وینیل قرار می گیرند، به پلیمریزاسیون زنجیره ای پلیمریزاسیون وینیلی نیز گفته می شود.

16. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای

17. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد: در اثر ایجاد رادیکال های آزاد به وسیله ی تجزیه آغازگر ( Initiator)، رشد زنجیر پلیمر آغاز می شود. آغازگرها ترکیباتی به لحاظ حرارتی ناپایدار هستند که در صورت دریافت انرژی (نظیر حرارت، نور فرابنفش) به رادیکال آزاد (که میل زیادی به ترکیب شدن دارد) تجزیه می شوند. نرخ تجزیه آغازگرها به طبیعت شیمیایی، دمای واکنش و حلال به کار رفته بستگی دارد.

18. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد رادیکال آزاد شامل یک تک الکترون است، بنابراین بسیار فعال بوده و می تواند به سمت مولکولی است که آماده است یک الکترون را از خود جدا کند حمله کند. این اتفاقی است که در فرآیند شروع رخ می دهد. • رادیکال آزاد به پیوند پای باند دوگانه حمله کرده و یک جفت الکترون در سطح سیگما ایجاد میکند. این فرایند باعث آزاد شدن انرژی در حدود Kcal20 می شود. بنابراین فرآیندانتشار بدون اضافه کردن انرژی به وقوع می پیوندد. . R + CH2 CH R CH2 CH X X

19. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد در مرحله ی انتشار، محل رادیکال در اولین واحد مونومر، به باند دوگانه ی مونومر تازه ای حمله می کند و محل رادیکال از مونومر اول به مونومر دوم انتقال پیدا می کند. فرآیند حمله های پی در پی به مولکول مونومر تازه و رشد زنجیر، انتشار نامیده می شود. . . R CH2 CH + CH2 CH R CH2 CH CH2 CH X X X X

20. معرفی پلیمرها . . • دم به دم CH CH2 + CH2 CH CH CH2CH2 CH ...... ...... X X X X پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد انواع انتشار • سر به سر • دم به سر . . . . . . CH2 CH + CH2 CH CH2 CH CH2 CH ...... ...... CH CH2 + CHCH2 CH CH2 CH CH2 CH2 CH + CH CH2 CH2 CH CH CH2 ...... ...... ...... ...... X X X X X X X X X X X X

21. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد • از تجزیه ی آغازگر در یک زمان تعداد زیادی رادیکال آزاد تولید می شود. هر کدام از آنها می توانند به طور همزمان رشد زنجیر را آغاز کنند و انتشار دهند. بنابراین یک احتمال آماری وجود دارد که دو زنجیر در حال رشد به هم نزدیک شده و با هم برخورد نمایند. پس از برخورد مولکول های محصول تهیه شده شامل محل رادیکال آزاد نیستند و نمیتوانند مجدداً رشد کنند که به آنها زنجیر مرده گویند.

22. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد اختتام به وسیله جفت شدن: در این روش، دو زنجیر در حال رشد به وسیله جفت کردن تک الکترون های موجود در هر زنجیر، با هم یکی شده و فعالیت آنها لغو می شود. . . R CH2 CH CH2 CH + R CH2 CH CH2 CH n1 n2 X X X X R CH2 CH CH2 CH CH CH2 CH CH2 R n1 n2 X X X X

23. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون زنجیره ای رادیکال آزاد اختتام به روش تسهیم نامتناسب: در این روش، یک H از یک زنجیر جذب می شود. . . R CH2 CH CH2 CH + R CH2 CH CH2 CH n1 n2 X X X X R CH2 CH CH2CH2 + R CH2 CH CHCH n1 n1 X X X X

24. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون مرحله ای • تعریف: پلیمر به وسیله ی واکنش بین گروههای عاملی به صورت مرحله به مرحله ساخته می شود. • انواع:

25. معرفی پلیمرها پلیمریزاسیون پلیمریزاسیون مرحله ای تراکمی: 1- توسط مونومرهایی که دو عدد یا بیشتر گروه عاملی دارند، انجام می شود. 2- در تشکیل پلیمر تنها یک واکنش تراکمی رخ می دهد. 3- پلیمر تشکیل شده به صورت حلقوی با وزن مولکولی کم (بر خلاف خطی) است.

26. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی

27. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم • حد اقل احتیاجات: • انطباق خواص فیزیکی و مکانیکی با بافت طبیعی • عدم از دست دادن خواص به مرور زمان مگر در موارد خاص • زیست سازگاری • قابلیت سترون شدن

28. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم

29. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم نخ بخیه • واکنش بافتی حداقل • قابلیت سترون شدن • عدم رشد باکتری • انعطاف پذیری • زیست سازگاری • استحکام کششی کافی از مواد پلیمری برای ساخت نخ بخیه استفاده می شود

30. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم نخ بخیه • کت گوت: از کلاژن مخاط روده ی گوسفند تهیه می شود. به نسبت دیگر نخ ها واکنش بافتی کمتری دارد. • پلی پروپیلن: برای بخیه بافت های چشم، عروق و تاندون مورد استفاده قرار می گیرد. • نایلون: در بستن زخم های درم، اپی درم و قرنیه در جراحی عدسی داخل چشمی مورد استفاده قرار می گیرد؛ تک رشته ای و چند رشته ای است، حساسیت زاست.

31. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم پوست مصنوعی: از مزایای آن نسبت به پیوند پوست می توان به از بین رفتن مشکلات همخوانی بافتی، و امکان تولید، نگهداری و حمل و نقل آن در ابعاد زیاد اشاره کرد. مواد مورد استفاده: سیلیکون و پلی یورتان: برای جلوگیری از کاهش سریع سیالات در اطراف موضع سوختگی و آسیب پوست مؤثر است. کلاژن ژلاتین پلی لاکتید پلی گلیکوئید

32. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم کاشتنی های سری، صورتی: به دو دسته ی داخل دهانی و خارج دهانی تقسیم می شوند. • آرواره و فک: از مواد فلزی یا کامپوزیت های پلیمری – سرامیکی استفاده می شود. • لثه و چانه: از پلیمر هایی نظیر سیلیکون و پلی متیل متا کریلات استفاده می شود.

33. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم کاشتنی های گوش: بیو متریال های پلیمری در درمان بیماریهای شنوایی نظیر تغییر شکل موروثی در بافت استخوانی گوش، التهاب گوش میانی و ... مورد استفاده قرار می گیرند. پلی اتیلن متخلخل: برای جایگزینی استخوان های سندانی، چکشی و رکابی استفاده می شود. حلزون شنوایی: وسیله ای الکترونیکی که در داخل گوش شخص ناشنوا گذاشته شده و عصب شنوایی را تحریک می کند. تحقیقاتی بر روی پلیمرهای رسانا نظیر پلی پیرول به عنوان الکترود در کاشتنی های شنوایی انجام شده است.

34. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم کاشتنی های چشم: بیو متریال های مختلفی برای ترمیم چشم معرفی شده اند که در این میان کاشتنی های کره ی چشم در مقایسه با سایر کاشتنی ها بیشتر جنبه ی زیبایی دارد و از پلی اتیلن متخلخل و هیدروکسی آپاتیت برای ساخت آن ها استفاده می شود. عدسی های تماسی:

35. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم • عدسی های تماسی سخت: • اولین عدسی های تماسی سخت در اواخر دهه ی 70 م. با قابلیت گذر دهی بالای اکسیژن از جنس کو پلیمر متیل متاکریلات با تر کیبات متاکریلات – سیلیکون معرفی شد. • تحقیقات بعدی روی کوپلیمریزه کردن مواد بکار رفته در عدسی های سخت انجام گرفت.

36. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم خواص الاستومرها: • اشکال: ترشوندگی پایین آن که باعث چسبیدن به قرنیه می شود. خواص نوری مناسب مقاومت پارگی بالا نفوذ پذیری خوب اکسیژن

37. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت نرم کاشتنی های انتقال دهنده ی سیالات: در موارد بی اختیاری کنترل ادرار، تجمع آب در سر ویا عفونت حاد در گوش نیاز به تجهیزات انتقال دهنده ی سیالات است. مواد مورد استفاده: مواد پلیمری نظیر پلی اتیلن، پلی تترا فلورو اتیلن، پلی وینیل الکل و... در تحقیقات مورد بررسی قرار گرفته اند.

38. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون احتیاجات: پس از بررسی احتیاجات عمومی بیو متریالها و احتیاجات اختصاصی بیو متریالهای پلیمری خون سازگاری مهمترین مسئله ایست که در این کاشتنی ها مورد مطالعه قرا میگیرد. به این مفهوم که این کاشتنی ها نباید سبب ایجاد لخته در مسیر جریان خون گردند و بر روی سلولهای خونی نیز اثر مخربی نداشته باشند.

39. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون رگ مصنوعی در سیاهرگ ها به دلیل فشار خون کم امکان تشکیل لخته بالا می رود.

40. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون رگ مصنوعی مواد سازنده: از نایلون، پلی استر، پلی پروپیلن، پلی اکریلات و سیلیکون رابر استفاده می شود. • به عنوان مثال رابر سیلیکونی را به داخل ساختار متخلخل مرجان دریایی لوله ای شکل تزریق می کنند. سپس مرجان دریایی را در اسید شسته و ساختاری لوله ای شکل از سیلیکون برجای می ماند که می تواند به عنوان رگ مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد.

41. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون دریچه ی مصنوعی قلب

42. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون دریچه ی مصنوعی قلب مسدود کننده: شامل یک یا چند بخش صلب متحرک است. محفظه: جایگاهی برای مسدود کننده فراهم می آورد و مسدود کننده درون آن قرار می گیرد. برای تسهیل در امر کاشت یک آستر پارچه ای قرار دارد. مواد پلیمری: سیلیکون، تفلون، پلی استر و پلی یورتان در ساخت این دریچه ها استفاده می شوند.

43. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های مرتبط با خون پیس میکر( ضربان ساز): از این وسیله برای تنظیم آهنگ انقباض قلب مورد استفاده قرار می گیرد. ضربان ساز شامل یک الکترود است که به تحریک ساز متصل می شود . بدنه ی این الکترود ها با استفاده از موادی نظیر سیلیکون یا پلی یورتان ها عایق می شوند.

44. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت مشکلات: مهمترین مشکل در زمینه ی طراحی این نوع بیومتریال ها عدم شناخته شدن تأثیر نیروهای فشاری یا کششی بر روی ترمیم استخوان هاست و بنابراین اعمال یک نیروی فشاری در هنگام ترمیــم استخوان ممکن است نتیجه ی معکوس داشته باشد. مواد قالب گیری: اخیراً از کامپوزیت های پلی یورتان- الیاف شیشه و پلی استر در این مورد استفاده شده است. تثبیت کننده های خارجی استخوان: از کامپوزیت الیاف کربنی-رزین اپوکسی استفاده میشود.

45. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت وسایل ترمیم شکستگی ها در ناحیه ی مغزی استخوان • این وسایل به آرامی وارد حفره ی مغز استخوان شده و برای ترمیم شکستگی استخوان های بلند به کار می روند. • کاربرد مهم این وسایل در تثبیت شکستگی گردن استخوان ران است • میله ی اشنایدر:در تثبیت شکستگی استخوان های بلند استفاده می شود. • کامپوزیت پلیمری با الیاف های کربنی در این مواد استفاده شده است.

46. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت سیمان استخوان • در ترمیم مفاصل تثبیت کاشتنی بزرگترین مشکل است. چرا که در اغلب موارد کاشتنی روی استخوان قرار گرفته و بارگذاری مفصل مصنوعی سبب انحلال استخوان می شود. برای تثبیت از سیمان استخوان استفاده می شود. • سیمان استخوان به عنوان به عنوان جاذب شوک عمل کرده و توزیع بار را بر روی سطح بزرگتری ایجاد می کند.

47. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی • فسفات کلسیمی • اکریلیکی یا پلی متیل متاکریلات کاشتنی های بافت سخت مزایا: قابلیت هدایت رشد استخوان زیست سازگاری بالا عدم ایجاد گرما در هنگام واکنش (مزیت نسبت به سیمان های اکریلیکی) تثبیت و پایداری سریع زیست سازگاری بالا عیب: به دلیل ایجاد گرمای زیاد سبب مرگ سلول های اطراف کاشتنی شده و باعث شل شدن پروتز می گردد. طرز تهیه: از پلیمریزاسیون مونومر متیل متاکریلات به روش افزایشی و به همراه آغازگر بنزوئیل پراکسید تهیه می شود

48. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت مفصل ران: به عمل جایگزینی مفصل ران آرترو پلاستی گویند. مراحل

49. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت کاشتنی های دندانی: این مواد باید علاوه بر مقاومت در برابر نیروهای فشاری بیش از 850 نیوتونی، بتواننددر هنگام جویدن نیز در برابر تنش های برشی مقاومت داشته باشند. خصوصیات مورد نیاز پلیمریزاسیون قابل کنترل لزجت کم و قابل کنترل ضریب گرمایی مشابه با اجزای استخوان مقاومت بالا در برابر خزش، سایش و آب

50. کاربرد پلیمرها در مهندسی پزشکی کاشتنی های بافت سخت کاشتنی های دندانی: طلا، آلومینا، رزین های اکریلیکی و سیمان های استخوانی از مهمترین مواد در بازسازی دندان های پوسیده هستند. الزامات: از مایعاتی با لزجت کم نظیر تری گلیکول دی متیاکریلات برای کاهش گران روی استفاده می شود. از ممانعت کننده های پلیمری برای جلوگیری از پلیمریزاسیون استفاده می گردد پلیمریزاسیون با کمک بنزوئیل پراکساید و یا پرتو ماوراء بنفش (لایت کیور)