Biomateriale. proprietăți și aplicații în medicină

Notiuni fundamentale

Termenul « materiale hibride » este folosit pentru o varietate mare de materiale cum ar fi:

- polimeri de coordinatie cristalini,

- compusi amorfi sol-gel,

- materiale cu interactii slabe sau puternice intre unitatile organice si anorganice.

materialele hibride includ doua unitati structurale amestecate la scara moleculara. Cei doi componenti sunt unul de natura anorganica si unul de natura organica. Componentul organic formeaza matricea in care se incorporeaza blocurile structurale anorganice care pot avea dimensiune nanometrica, ceea ce conduce la o compozitie heterogena. De asemenea si componenta anorganica poate reprezenta matricea in care sa se fixeze unitatile organice. Printre posibilele combinatii realizabile in scopul formarii materialelor hibride sunt:

- clusteri anorganici, fulerene, nanoparticule metalice dispersate in matrici organice : polimeri

- molecule organice sau organometalice, biomolecule, enzime dispersate in polimeri anorganici (sol-gel). Intre speciile anorganice si organice sunt posibile mai multe tipuri de interactii care din punct de vedere al legaturilor pot fi: van der Wals, legaturi de hidrogen, legaturi coordinative si legaturi covalente (Si-O-Si).

Ştiinţa biomaterialelor este „ştiinţa care se ocupă cu interacţiunile dintre organismele vii şi materiale”, iar biomaterialele ca fiind „orice substanţă sau combinaţie de substanţă, de origine naturală sau sintetică, care poate fi folosită pe o perioadă de timp bine determinată, ca un întreg sau ca o parte componentă a unui sistem care tratează, grăbeşte, sau înlocuieşte un ţesut, organ sau o funcţie a organismului uman”(Williams 1992).

Astfel s-a născut ştiinţa biomaterialelor cu un vocabular medical şi ştiinţific îmbogăţit de noi termeni, destinaţi definirii interacţiunii între un organism viu si un material.

2. Clasificarea biomaterialelor

Calitatea unui material utilizat la construcţia unui implant trebuie să respecte următoarele două criterii : criteriul biochimic şi criteriul biomecanic. Conform criteriului biochimic, aplicabilitatea unui material este determinată de biocompatibilitatea sa, iar din punct de vedere biomecanic de rezistenţa la oboseală, cel mai important parametru dar nu singurul.

O clasificare uzuală a biomaterialelor, /V.Bulancea, St.Lacatusu, I.Alexandru (2006)/, este realizată pe criterii structurale, în patru clase mari de biomateriale: metalice, ceramice, polimerice şi compozite.

Avantaje si dezavantaje ale utilizării diferitelor clase de biomateriale

Materiale Avantaje Dezavantaje Exemple

Metale si aliaje

otel inoxidabil

titan

aliaj de cobalt

aur

Caracteristici

mecanice ridicate

Ductilitate

-

- Susceptibilitate la

coroziune

Aparitia deformatiilor în

timp

Înlocuiri ale articulatiilor,

suruburi, plăci osoase Înlocuiri ale

articulatiilor,

suruburi, plăci

osoase, implanturi

dentare

Materiale polimerice

nylon

silicon

teflon

dacron Elasticitate

fabricabilitate Susceptibilitate la

degradare

Densitate scăzută Suturi, vase de

sânge, ureche,

nas, tesuturi

moi

Materiale ceramice

oxid de aluminiu

carbon

hidroxiapatita

Biocompatibilitate

mare, bioinertie

Rezistentă la

compresiune

Fragilitate

Obtinere dificilă

Lipsa elasticitătii Stomatologie

Implantologie

Materiale compozite

Carbon pirolitic- fibre

de carbon

Duritate

Posibilitate de

modelare Obtinere dificilă Implant de

articulatie,

valve ale inimii

După scopul aplicației medicale sunt:

1. Biomateriale pentru înlocuire de țesut dur - în ortopedie, stomatologie (dentistică);

2. Biomateriale pentru înlocuire de țesut moale – în cardiologie, oftalmologie;

3. Biomateriale cu funcţii specifice - membrane pentru transport de medicamente şi sânge, membrane de dializă, stimulare cardiacă, plămân artificial, biomateriale de diagnostic, terapie, instrumentație.

După interacţiune cu organismul se cunosc materiale:

1. Bioinerte - care nu provoacă răspuns (sau provoacă răspuns minim) din partea gazdei, deci nu interacţionează cu ţesutul viu cum ar fi - porțelanul dentar sauunele biosticle, în contact direct cu osul sau separate de acestea printr-un strat subțire;

2. Bioactive - care presupun interacţiuni fizico - chimice cu ţesutul viu şi daurăspunsuri benefice, refacerea în zona de contact şi stimularea creşterii de celule endoteliale;

3. Biotolerate - separate de organism printr-o interfaṭă suficient de groasă încât nu apar perturbări

importante de compatibiliate cu acestea;

4. Bioresorbabile - supuse unui proces de dizolvare/ resorbție după introducere în organism, sunt treptat înlocuite prin avansul țesutului viu.

5. Hibride - care presupun asocierea unui material inert cu celule vii.

3. Proprietăţile si aplicaţiile biomaterialelor in medicina

Clasa biomaterialelor se deosebeşte de celelalte clase de materiale prin criteriul de biocompatibilitate, care se defineşte ca fiind proprietatea biomaterialelor, prin care, în urma implantării lor într-un organism viu, nu produc reacţii adverse şi sunt acceptate de ţesuturile ce le înconjoară. Aşadar, biomaterialul trebuie să nu prezinte toxicitate sau să nu producă reacţii inflamatorii, atunci când este introdus în organismul uman ca şi implant.

Cercetătorii Wintermatel şi Mayer (1999) au extins definiţia biocompatibilităţi şi au ajuns la separarea acesteia în două categorii (tabelul 9): biocompatibilitatea intrinsecă şi biocompatibilitatea extrinsecă (funcţională). Prin biocompatibilitatea intrinsecă se înţelege faptul că suprafaţa implantului trebuie să fie compatibilă cu ţesutul gazdă din punct de vedere chimic, biologic şi fizic (incluzând morfologia suprafeţei). În ceea ce priveşte biocompatibilitatea extrinsecă, acesta se referă la proprietăţile mecanice ale materialului, cum ar fi modulul de elasticitate, caracteristicile de deformaţie şi transmiterea optimă a solicitărilor la interfaţa dintre implant şi ţesut.

Condiţionarea optimă dintre biomaterial şi ţesutul viu este atinsă atunci când compatibilitatea suprafeţei şi cea structurală sunt îndeplinite.

Biocompatibilitatea unui implant depinde de numeroşi factori ca : starea generală de sănătate a pacientului, vârsta, permeabilitatea ţesutului, factori imunologici şi caracteristicile implantului (rugozitatea şi porozitatea materialului, reacţiile chimice, proprietăţile de coroziune, toxicitatea acestuia).

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREŞTI

FACULTATEA DE CHIMIE APLICATĂ ŞI ŞTIINŢA MATERIALELOR

MASTER ŞTIINŢELE VIEŢII ŞI ECOLOGIE