INTRODUCERE IN BIOMATERIALE

Introducere in Biomateriale

S-a descoperit, ca in tratarea bolilor si ranilor, pot fi utile o multitudine de materii nevii. Exemple comune ar fi suturile si lipirea dintilor. Prin biomaterial se intelege un material sintetic folosit pentru a inlocui o parte a unui sistem viu sau pentru a functiona in stransa legatura cu un tesut viu. Dupa Catedra de Biomateriale a Universitatii Clemson, in mod formal, biomaterialul este "o substanta inerta din punct de vedere sistematic si farmacologic, creata pentru a fi implantata in sau pentru a convietui alaturi de sisteme vii." Dimpotriva, prin material biologic se intalege un material cum ar fi structura osoasa sau smaltul dintilor, produs de un sistem biologic. Materiale artificiale care pur si simplu intra in contact cu pielea, cum ar fi aparatele auditive sau protezele pentru brate, nu sunt biomateriale de vreme ce pielea joaca rol de bariera fata de mediul extern. Biomaterialele sunt folosite, asa cum indica si Tabelul 1-1, pentru a inlocui o parte a corpului care si-a pierdut functiile din cauza unei boli, ca sprijin in procesul vindecarii, pentru a ameliora functii si pentru a corecta anomalii. Importanta biomaterialelor a crescut si datorita inovatiilor aduse in multe ramuri ale medicinei. De exemplu, o data cu descoperirea antibioticelor, bolile infectioase nu mai reprezinta o asa mare amenintare cum fusesera in trecut, asa incat bolile degenerative capata o mai mare importanta. Ba mai mult, inovatiile in tehnicile de chirurgie au facut posibila folosirea materialelor in domenii in care pana atunci nici nu fusese posibila utilizarea lor.

Scopul acestui curs este familiarizarea cu tehnicile de folosire a materialelor in medicina si cu bazele aplicarii acestor tehnici. Cursul de biomateriale poate fi o baza, nivel incepatori dar si avansati, pentru studentii la bioinginerie medicala dar si la masterate pentru fizicieni, chimisti, ingineri sau artisti.

Actiunea si performanta materialelor in corpul uman poate fi studiata din mai multe perspective. In primul rand, putem caracteriza biomaterialele din punct de vedere al zonei cu probleme ce trebuie vindecata, ca in Tabelul 2-1.

Folosirea biomaterialelor

Tabelul 2-1 

In al doilea rand, putem lua in consideratie corpul doar la nivelul tesuturilor, organelor (Tabelul 2-2) sau intregului sistem (Tabelul 2-3). In al treilea rand, putem pune accent pe clasificarea materialelor in metale, polimeri, ceramice si compusii lor, dupa cum se prezinta in Tabelul 2-4. In acest caz, functia principala a unor materiale precum biomaterialele vizeaza felul cum interactioneaza materialul si corpul, mai exact, influenta pe care o exercita mediul din corp asupra materialului si efectul materialului asupra corpului.

Biomateriale in organe

Tabelul 2-2 

Este evident faptul ca cele mai curente aplicatii ale biomaterialelor vizeaza chiar si acele organe si sisteme care nu sunt neaparat structurale prin insasi natura lor sau functii chimice sau fizice. Functiile chimice complexe precum cele ale ficatului si functiile fizice sau electromagnetice ca ale creierului si organelor de simt nu pot fi indeplinite de biomateriale. Pentru completari, a fost introdus in curs si un capitol despre transplantul de organe si tesuturi.]

Biomaterialele in sistemele din corp

Tabelul 2-3

Clasificarea biomaterialelor

Calitatea unui material utilizat la constructia unui implant trebuie sa respecte urmatoarele doua criterii : criteriul biochimic si criteriul biomecanic. Conform criteriului biochimic, aplicabilitatea unui material este determinata de biocompatibilitatea sa, iar din punct de vedere biomecanic de rezistenta la oboseala, cel mai important parametru dar nu singurul.

O clasificare uzuala a biomaterialelor, /V.Bulancea, St.Lacatusu, I.Alexandru (2006)/, este realizata pe criterii structurale, in patru clase mari de biomateriale, Tabelul 2-4, metalice, ceramice, polimerice si compozite.

Cele mai uzuale si cunoscute sunt biomaterialele metalice. Majoritatea materialelor metalice, Fe, Cr, Co, Ni, Ti, Ta, Mo si W, utilizate pentru majoritatea implantelor, sunt tolerate de tesuturile vii in cantitati foarte mici, desi unele elemente metalice sunt esentiale pentru functiile celulare. Se mentioneaza o categorie speciala de aliaje cu « memoria formei », dupa deformare plastica ele revin, prin incalzire, la forma initiala. Aplicatii medicale: pentru anevrisme intracraniene, filtre pentru vena cava, implanturi ortopedice etc.

Biomaterialele ceramice sunt compusi policristalini, de obicei anorganici: oxizi metalici (alumina), carburi, hidride refractare, sulfide, selenide Principalele biomateriale ceramice sunt utilizate, in special, in stomatologie: coroane dentare, pentru aspectul estetic deosebit, rezistentei mari la compresiune si lipsei de reactie cu lichidele corpului uman].

Biomaterialele compozite se formeaza din doua sau mai multe faze distincte cu proprietati diferite de materialul omogen. Materialul de adaos dintr-un compozit poate avea forma de particule, fibre sau benzi. Materialele compozite fibroase sau sub forma de benzi laminate sunt compozite anizotrope, iar cele cu incluziuni sub forma de particule distribuite uniform in matrice sunt compozite izotrope. Compozitele anizotrope au rezistenta mai mare decat cele izotrope. Compozitele anizotrope pot fi folosite doar daca se cunoaste directia de aplicare a tensiunii. De asemenea, este necesar ca fiecare constituent al compozitului sa fie biocompatibil ceea ce inseamna ca interfata dintre constituenti sa nu fie degradata de mediul corpului. Aplicatii medicale: compozite dentare pentru plombe, metilmetacrilatul ranforsat cu fibre de carbon sau cu particule osoase, zirconia, ciment osos

Biomateriale polimerice sunt materiale realizate prin legarea unor molecule mai mici (meri) prin legaturi covalente primare intr-un lant principal. Aplicatii medicale: implante pentru inlocuirea sau refacerea tesuturilor moi umane - suturi, vase de sange, piele artificiala

Materiale folosite in corpul uman

Tabelul 2-4 

O clasificare completa este propusa de Muster (1999) care introduce un nou criteriu privind originea biomaterialelor.

Dupa acest criteriu clasificarea biomaterialelor poate fi:

1. Biomateriale care nu sunt de origine vie

1.1. Biomateriale metalice

Metale pure  - pretioase (Au, Ag, Pt)

- nepretioase (Ti, Ta, W, Nb)

Aliaje metalice - oteluri inoxidabile austenitice

- de titan (TiAl₆V₄, TiAl₅Fe_2,5)

- tip cobalt - crom (cu sau fara W, Mo, Ni)

Compusi intermetalici - amalgame dentare

- compusi sau aliaje cu memoria formei

1. Biomateriale ceramice

Bioinerte  - pe baza de oxizi (Al₂O , ZrO )

- pe baza de carburi si nitruri (Si, Ti)

Bioactive  - pe baza de fosfat de calciu (hidroxiapatita - HA, fosfat tricalcic - TCP)

- pe baza de alte saruri ale calciului (carbonati, sulfati, aluminati)

1.3. Biomateriale pe baza de polimeri de sinteza

Elastomeri: siliconi, poliuretani;

Materiale plastice  - termodurificabile (ratini epoxi, triazine etc.)

- termoplastice (PMMA, PHEMA, PVA, polietilena, PTFE, polisulfon, PEEK etc.)

- bioresorbabile: acid poliglicolic - PGA, acid polilactic - PLA)

1.4. Biomateriale composite de sinteza

De tip organo - organice

De tip mineralo - minerale

De tip organo - minerale

Biomateriale de origine biologica

3. Biomateriale composite mixte

[ Totusi din gama de biomateriale descrise putine sunt cele utilizate, si aceasta datorita biocompatibilitatii reduse a unei parti din ele. Ca tehnica de varf, se fac cercetari privind elaborarea unor biomateriale spongioase dar in acelasi timp si cu rezistenta mecanica mare. Din aceasta categorie pot face parte spumele poliuretanice sau aliajele metalice tip spuma in care pot fi cultivate celule vii pentru realizarea unor tesuturi vii deci cu biocompatibilitate foarte ridicata].

Pentru selectia biomaterialelor, in scopul realizarii unui implant, este necesara luarea in consideratie a unei multitudini de factori ca: economic, mecanic, electric, mediu (chimic), siguranta (biologic), termic, suprafata, estetic, porformanta si cercetare, /Bunea/.

Proprietatile biomaterialelor

Reusita actiunii unui biomaterial in corp depinde de anumiti factori cum ar fi proprietatile materiale, design si biocompatibilitatea materialului folosit, precum si alti factori care nu se afla sub controlul direct al inginerului, incluzand in aceasta categorie si tehnica folosita de chirurg, starea de sanatate a pacientului, precum si preocuparile pacientului. Daca desemnam o valoare numerica f probabilitatii de esec (nereusita) al unui implant, atunci coeficientul de fiabilitate (reabilitate)(r) poate fi exprimat astfel :

r 1 - f  1.1

Daca, asa cum se intampla de cele mai multe ori, se intampla sa existe mai multe modalitati de esec, fiabilitatea totala r_t este dat de produsul fiabilitatilor r_i = (1- f_i ), etc.:

r_t = r₁r₂∙∙∙r_n 1.2

Astfel, la un implant facut in cazul unei fracturi, chiar daca una dintre modalitatile de esec este tinuta sub control astfel incat fiabilitatea corespunzatoare sa ramana unitara, pot aparea alte posibilitati de esec, cum ar fi o infectie, limitand utilitatea implantului reprezentata de fiabilitatea totala implantului.

Alte modalitati de esec care se poate intampla in cazul folosirii unui biomaterial sunt cazul afectarii implantului de catre sistemul imunitar al corpului, actiunea nedorita a implantului asupra corpului - ex. toxicitate, pot induce la inflamatii sau chiar la cancer. Prin urmare, dintre conditiile importante necesare pentru o buna functionare a implantului sunt, printre altele, bio-compatibilitatea, bio-functionalitatea si bio-degradabilitatea. Biocompatibilitaea presupune acceptarea unui implant artificial de catre tesuturile din jur si implicit de catre corp in general. biofunctionalitatea este capacitatea implantului de a-si realiza functia pentru care este introdus in corp un timp cat mai mare. Biodegradabilitatea este o proprietate a implantului de a se degrada in aceeasi durata de timp cu tesuturile vii inconjuratoare sau de a se degrada dupa realizarea rolului pentru care a fost introdus. Materialele biocompatibile nu produc iritatii structurilor inconjuratoare, nu provoaca inflamatii, nu dau nastere unor reactii alergice, si nu cauzeaza cancer. Alte caracteristici care ar putea fi importante in actiunea si structura unui implant pe baza de biomateriale sunt proprietati mecanice adecvate, cum ar fi rezistenta, duritatea si durata la oboseala ; proprietati optice adecvate in cazul in care materialul urmeaza sa fie folosit in ochi, piele sau dinti ; densitate adecvata ; gradul de prelucrare ; si designul tehnic adecvat.

Cu cat trece mai mult timp de la realizarea implantului, cu atat si importanta si gravitatea acestor cazuri de esec difera din ce in ce mai mult. Sa luam ca exemplu cazul inlocuirii tuturor articulatiilor in care infectia poate sa apara cel mai probabil imediat dupa interventia chirurgicala, pe cind gravitatea slabirii legaturilor articulare si a fracturilor devine din ce in ce mai mare o data cu trecerea timpului, asa cum ne arata si Figura 1-1. Modaliitatile de esec depind de asemenea si de tipul implantului si de locatia si functia acestuia in corp. De exemplu, e mult mai probabil ca un vas artificial de sange sa cauzeze probleme prin formarea unui cheag sau prin ruperea peretilor acestuia

Figura 1. Diagrama schematica reprezentand rolul diferitelor posibilitati de esec, avand in vedere faptul ca acestea depind de timp in ceea ce priveste introducerea protezei pentru articulatii. Nu sunt prezentate posibilitati de esec de mica probabilitate, cum ar fi erorile chirurgicale sau reactiile alergice la metale.

Exemplul 2-1

Fie probabilitatea de esec a unui implant la genunchi in primul an de 5% caz de infectie, 3% de uzura, 2% de slabirea articulatiilor (fragiliate), 1% aparitia unor complicatii chirurgicale si 4% fractura. Calculati fiabilitatea implantului in primul an. Presupunand ca alte 10% din pacienti se plang de dureri excesive, calculati din nou fiabilitatea.

Raspuns :

r 1-0.03)(1-0.02)(1-0.01) = 0.89 adica una din zece interventii nu se va bucura de succes. Daca la aceasta se mai adauga 10% cazuri in care apar dureri, atunci

r 1-0.10) = 0.80 . Se poate observa ca procentajele de esuare sunt in mare parte independente. De fapt, durerile pot surveni datorita slabirii legaturilor in interiorul implantului ce pot avea cauze necunoscute.

Probleme :

Determinati sansele de esec in cazul unei artroplastii de sold la un an si la doi ani, avand in vedere urmatoarele date. t reprezinta numarul de ani.

Infectie : f_i = 0.05 exp( -t)

Slabirea articulatiilor : f_lo = 0.01 exp(+0.2t)

Fractura : f_fr = 0.01 exp (+0.12t)

Uzura: f_w = 0.01 exp(+0.1t)

Eroare chirurgicala : f_su = 0.001

2-3. Cum ar deveni procentajele de la 1-1 daca in efectuarea implantului de sold s-ar folosi un material cum ar fi vanadiul ?

Discutati fiabilitatea si consecintele inlocuirii intregului brat/ inlocuirii intregii danturi .

SIMBOLURI / DEFINITII

Litere latine :

f = probabilitate de esec

r = fiabilitatea probabilitatii de realizare a implantului : r = 1 - f

Terminologie :

biocompatibilitate = acceptarea unui implant artificial de catre tesuturile inconjuratoare si de corpul uman in totalitate;

material biologic = substanta produsa de un sistem biologic;

biomaterial = materie sintetica folosita la inlocuirea unei parti a unui sistem viu sau pentru a functiona in contact strans cu tesutul viu ;