Lucrarea isi propune sa aduca contributii in ceea ce priveste proiectarea si dezvoltarea unor materiale noi bioactive, prin caracterizarea comportarii la coroziune electrochimica a interfetei: Ti/ TiO2 / P2O5-CaO-SiO2/fluid fiziologic, tinand cont ca fenomenul de coroziune este un aspect al biocompatibilitatii.
Proiectarea si dezvoltarea implanturilor din biomateriale au ca scop final imbunatatirea si prelungirea vietii pacientilor. In ultimii 50 de ani, prin utilizarea materialelor ceramice s-a produs o noua revolutie in imbunatatirea calitatii vietii. Obtinerea de noi biomateriale reprezinta componentul critic al acestei revolutii. Se pune accentul pe utilizarea materialelor care activeaza mecanismele de reparare ale partilor vatamatoare ale corpului, alogrefelor regenerative si constructiilor ingineriei tisulare. Acest concept combina intelegerea osteogenezei si chondrogenezei la nivel molecular cu proiectarea unor noi materiale bioactive care stimuleaza gene ce activeaza proliferarea si diferentierea celulelor osteoprogenitare si sporeste formarea rapida a matricei extracelulare si cresterea tesutului osos nou in situ. Beneficiile economice si personale ale repararii regenerative in situ a scheletului pacientilor tineri vor fii mult crescute.
De 15 ani milioane de proteze ortopedice realizate din materiale bioinerte au fost implantate cu supravietuire excelenta. Bazele acestui succes sunt utilizarea aliajelor metalice imbunatatite cu materiale polimerice speciale si ceramice care au dus la imbunatatirea vietii a milioane de pacienti. Totusi, aceste dispozitive necesita o supravietuire de peste 30 de ani deoarece procentul de maturizare a populatiei a crescut. S-a propus un model pentru satisfacerea nevoii crescute de reparatii ortopedice pe termen lung, un model pentru accentuarea regenerarii si inlocuirii tesuturilor. Utilizarea unor astfel de materiale si mecanisme pentru repararea tesutului biologic, necesita cunoasterea biologiei moleculare. Se descrie o noua orientare alternativa biologica bazata pe utilizarea materialelor bioactive in ingineria tisulara. Conceptul utilizarii materialelor bioactive din clasa A pentru a stimula regenerarea tesutului, reprezinta fundatia stiintifica pentru crearea de scaffold resorbabile bioactive. Materialele bioactive din clasa A prezinta 11 stagii de reactii care duc la intensificarea proliferarii si diferentierii osteoblastelor si reformarea arhitecturii osului trabecular in situ.
1.1. Necesitatea Materialelor Bioactive
In ultimul secol, implanturile ortopedice au suferit o revolutie in scopul obtinerii unui model de micsorare a infectiilor osului [1,2]. Evolutia dispozitivelor metalice de fixare si dezvoltarea sistematica a protezelor articulare solide au fost critice in aceasta revolutie pentru ingrijirea sanatatii. Dispozitivele si protezele ideale, obtinute din biomateriale ortopedice trebuie sa supravietuiasca pe intreaga viata a pacientului fara sa esueze. Utilizarea acestor materiale au dus la cresterea apreciabila a timpului de viata a pacientilor [3], varsta medie curenta este de 80 ani si creste cu mai mult de 15 ani din 1960 cand pionierul Prof. Sir John Charnley utilizeaza implantul de sold cu frictiune total scazuta.
1.2 Alternativa bioactiva
In ultima decada o atentie deosebita s-a acordat utilizarii unor implanturi cu fixare bioactiva, aceasta fixare fiind definita ca o legatura interfaciala dintre implant si tesut prin formarea unui strat de hidroxiapatita biologic activa pe suprafata implantului [4,5,6]. Avantajul important al fixarii bioactive este acela ca legatura bioactiva formata la interfata implant-os este la fel sau mai puternica decat in os.
Materialele utilizate clinic pot fi clasificate in trei categorii: materiale resorbabile, bioactive si aproape inerte. Un material bioactiv este definit ca fiind un material care produce un raspuns biologic specific la interfata materialului, a carui rezultat duce la formarea unei legaturi intre tesut si material [7]. Nivelul de bioactivitate a materialului poate fii corelat cu timpul in care pentru 50% din suprafata implantului s-a realizat legatura de os (t0,5bb): Indicele de bioactivitate: IB = 100 / t0,5bb
Materialul cu IB > 8 (Clasa A) de ex. 45S5 Bioglass, va forma legaturi atat in tesutul hard cat si soft. Materialul cu IB < 8 >0 (Clasa B), de ex. hidroxiapatita sintetica, se va lega doar de tesutul hard [3]. O sticla bioactiva este acea sticla care sufera o dizolvare a suprafetei intr-un mediu fiziologic, urmata de formarea unui strat de hidroxicarbonat de apatita (HCA) [8]. Cu cat solubilitatea este mai mare a bioglasslui cu atat legatura cu tesutul este mai pronuntata [9].
1.3. Mecanismul de bioactivitate
Structura si compozitia chimica a biosticlei se modifica in timp in urma interactiei dintre biosticla si solutia apoasa [10]. O data cu acumularea de produsi dizolvati la interfata biosticla - solutie se modifica compozitia chimica si pH-ul solutiei. Factorii care contribuie la formarea legaturii rapide dintre sticla si tesut, care stimuleaza cresterea tesutului si este folosit ca dispozitiv scaffold in ingineria tisulara sunt: formarea hidroxicarbonatului (HCA) pe sticla bioactiva in urma dizolvarii silicei solubile si eliberarii ionilor de Ca+2 [11-13].
In procesul de legare completa dintre os si bioglass intervin 11 stagii, dintre care stagiile 1-5 sunt raspunsuri chimice iar stagiile 6-11 sunt raspunsuri biologice.
1) In primul stagiu are loc schimbul rapid dintre ionii de Na+, Ca+2, PO4-3 din sticla cu ionii
H+ si H3O+ din solutie. Mecanismul are loc prin difuzie, ducand la hidroliza silicei formand silanoli:
Si-O-Na+ + H+ +HO- -> Si-OH+ + Na+(aq) + HO-
PH-ul solutiei creste ca rezultat al inlocuirii ionilor de H+ din solutie cu cationi.
2) Schimbul de cationi creste concentratia de hidroxil din solutie, care se va atasa de reteaua
silicei. Sticla solubila se dizolva sub forma de Si(OH)4 in solutie, ca urmare a ruperii legaturilor Si-O-Si si formarea continua a SiOH (silanoli) la interfata.
Si-O-Si + H2O -> Si-OH + OH-Si
3) Condensarea si repolimerizarea silanolilor si formarea unui strat bogat de SiO2
la suprafata.
1. LeFanu J., The Fall and Rise of Modern Medicine, Little Brown, 1999, 104-113.
2. Simon SR, Orthopaedic Basic Science, American Academy of Orthopedics Surgeons, 1994.
3. Hench LL, Bioceramics: Fromconcept to clinic, J. American Ceramic Society, 1991, 74 (7), 1487-1510.
4. Hench LL, Wilson J., Introduction to Bioceramics, World Scientific, Singapore, 1993, Chapter 4 and 6.
5. Cao W, Hench LL, Bioactive Materials Ceramics International, 1996; 22: 493-507.
6. Hench LL, West JK., Biological Aplication of Bioactive Glasses, Life Chemistry Reports, 1996; 13: 187-241.
7. Hench LL, Biomaterials: A forecast for the future, Biomaterials, 1998, 19: 1419-1423.
8. Wallace KE, Hill GR, Pembroke JT, Brown CJ, Hatton PV, Influence of sodium oxide content on bioactive glass properties, J. Materials science: Materials in Medicine, 1999, 10: 697-701.
9. Decheyne P, Qui Q., Bioactive Ceramics: The effect of surface reactivity on bone formation and bone cele function, Biomaterials, 1999, 20: 2287-2303.
10. Clark AE, Pantano CG, Hench LL, Corrozion of glass, Magazines for Industry, New York, 1979, 1.
11. Greenspan DC, Zhong JP, LaTorre GP, Effect of surface area to volume ratio on in vitro surface reactions of bioactive glass particulates, In Bioceramics J, eds. OH Andersson, A Yli-Urpo, 1994, pp 28-33.
12. Greenspan DC, Zhong JP, Chen ZF, La Torre GP, The evolution of degradability of melt an sol-gel derived Bioglass in vitro, In Bioceramics 10, eds. L Sedel, C Rey, 1997, pp. 391-394.
13. Greenspan DC, Zhong JP, Wheeler DL, Bioactivity and biodegradability: Melt vs sol-gel derived Bioglass in vitro and in vivo, In Bioceramics 11, eds RZ LeGeros, JP LeGeros, 1998, pp. 345-348.
14. Vidueau JJ, Dupuis V., Phosphates and biomaterials, European Jurnal of Solid State Inorganic Chemistry, 1991, 28:303-343.
15. Zhong JP, La Torre GP, Hench LL, The kinetics of bioactive ceramics part VII: Binding of collagen to hydroxy apatite and bioactive glass, In Bioceramics 7, eds. OH Andersson, A Yli-Urpo, 1994, pp. 61-66.
16. Pereira MM, Clark AE, Hench LL, Effect of texture on the rate of hydroxyapatite formation on gel-silica surface. J American Ceramic Society, 1995; 78(9): 2463-2468.
17. Pereira MM, Hench LL, Mechanisms of hydroxyapatite formation on porous gel-silica substrates, J Sol-gel Science and Technology, 1996; 7:59-68.
18. Zhong JP, Greenspan DC. Bioglass surface reactivity: From in-vitro to in-vivo. In Biomaterials 10, eds. L. Sedel, C. Rey, 1997, pp. 391-394.
19. Pereira MM, Clark AE, Hench LL. Calcium phosphate formation on sol-gel-derived bioactive glasses in vitro. J Biomedical Material Research 1994; 28:693-698.
20. Tsuru K, Ohtsuki C, Osaka A, Iwamoto T, Mackenzie JD. Bioactivity of sol-gel derived organically modified silicates. J Materials Science: Materials in Medicine 1997; 8:157-161.
21. Wirth G, Gieskes J. J Colloid International Science 1979; 68:492.
22. Rohanizadeh R, Padrines M, Bouler JM, Couchoural D, Fortun Y, Daculsi G. Apatite precipitation after incubation of biphasic calcium-phosphate ceramic in various solutions: Influence of seed species and protein. J Biomedical Material Research 1998; 42(4):530-539.
23. Kuijer R, Bouwmeester SJM, Drees MMWE, Surtel DAM, Terwindt-Rouwenhorst EAW, Van Der Linden AJ, Van Blitterswijk CA, Bulstra SK. The polymer polyactive as a bone-filling substance: An experimental study in rabbits. J Materials Science: Materials in Medicine 1998; 9:449-455.
24. Padrines M, Rohanizadeh R, Damiens C, Heymann D, Fortun Y. Inhibition of apatite formation by vitronectin. Connective Tissue Research 2000; 41(2):101-108.
25. Elsberg LL, Lobel KD, Hench LL. Geometric effects on the reaction stage of bioactive glasses. (Unpublished).
26. Wilson J, Noletti D. Bonding of soft tissue to Bioglass. In Bioceramics 3, ed. S hubbert, 1990, pp.283-302.
27. Schepers E, Ducgheyne P, Barbier L, Achepers S. Bioactive glass particles of narrow size range: A new material for the repair of bony defects. Implant Dentistry 1993; 2(151):156.
28. Sepulveda P, Jones JR, Hench LL. Effect of particle size on Bioglass Dissolution. In Bioceramics 13, eds. S Giannini, A Moroni, 2000, pp. 629-634.
29. Stamboulis A, Hench LL. Bioresorbable polymers: Their potential as scaffolds for Bioglass composites. . In Bioceramics 13, eds. S Giannini, A Moroni, 2000, pp.729-734.
30. Hench LL, West JK. The sol-gel process. Chemical Reviews 1990; 90: 33-72.
31. Andersson OH, Sodergard A. Solubility and film formation of phosphate and alumina containing silica glasses. J Non-Crystalline Solids 1999; 246: 9-15.
32. Warren LD, Clark AE, Hench LL. An investigation of Bioglass powders: Quality assurance test procedure and test criteria. J Biomedical Material Research: Applied Biomaterials 1989; 23(A2): 201-209.
33. Hill RG. J Materials Science Letters 1996; 15:112.
34. Ishizaki, Komarneni, Nanko. Porous Materials Process Technology and Applications. Kluwer Academic Publishers, 1998, 67.
35. Livage J, Sanchez C. Sol-gel chemistry. J Non-Crystalline Solids 145:11-19.
36. Hench LL, Wheeler DL, Greenspan DC. Molecular control of bioreactivity in sol-gel glasses. J Sol-gel Science and Technology 1998; 13:245-250.
37. Li P, Zhang F. The electrochemistry of a glass-surface and its application to bioactive glass in solution. J Non-Crystalline Solids 1990; 119:112-116.
38. Li R, Clark AE, Hench LL. Effect of structure and surface area on bioactive powders made by sol-gel process. In Chemical Processing of Advanced Materials, eds. LL Hench, JK West, Wiley, New York, 1992; pp. 627-633.
39. Perez-Pariente J, Balas F, Poman J, Salinas AJ, Vallet-Regi M. Influence of composition and surface characteristics on the in vitro bioreactivuty of SiO2-CaO-P2O5-MgO sol-gel glasses. J Biomedical Materials Research 1999; 47(2): 170-175.
40. Al-Bazie S, Chou S. The role of bioglass elements in osteogenesis at implant interface in vivo. J Dental Research 1998; 77(839): 1664. Special Issue B.
41. Oonishi H, Hench LL, Wilson J, Sugihara F, Tsuji E, Kushitani S, Iwaki H. Comparative bone growth behaviour in granules of bioceramic materials of various sizes. J Biomedical Materials Research 1999; 44 (1): 31-43.
42. Livage J. Sol-gel processes. Current Opinion Solid State Matter 1997; 2:132-138.
43. Aksay IA, Wiener S. Biomaterials- Is this really a field of research? Current Opinion Solid State Materials Science 1998; 3(3):219-220.
44. Oonishi H, Kutrshitani S, Yasukawa E. Particulate Bioglass and hydroxyapatite as a bone graft substitute. J Clinical Orthopedics Related Research 1997; 334:316-325.
45. Wheeler DJ, Stokes KE. In vitro evaluation of sol-gel Bioglass. Part I: Histological findings. Trans 23rd Annual Meeting of the Society for Biomaterials, New Orleans, LA, 1997.
46. Details of the clinical cases are available from US Biomaterials
Pentru a descărca acest document,
trebuie să te autentifici in contul tău.
