Degradacja materiałów w środowisku biologicznym

Degradacja materiałów w środowisku biologicznym
Środowisko biologiczne jest wyjątkowo nieprzyjazne i prowadzi do szybkieh degradacji wielu materiałów. Neutralne pH Niskie stężenie soli Umiarkowana temperatura Mechanizmy obronne wypracowane przez miliony lat w celu pozbycia się substancji obcych z organizmu Pozornie łagodne warunki Efekt synergiczny – współdziałanie kilku elementów np. ciągłe lub cykliczne obciążenie mechaniczne, ścieranie, zginanie, środowisko aktywne elektrochemicznie, efekt plastyfikacji polimerów, adsorpcja protein, działanie enzymów, oddziaływanie substancji zawartych w komórkach bezpośrednio na materiale bez efektu rozcieńczenia. Pęknięcia w wyniku oddziaływania mechanicznego powodują odsłanianie nowych powierzchni podatnych na reakcje chemiczne Pęcznienie i wchłanianie wody powoduje zwiększenie podatności na reakcję chemiczną Produkty degradacji mogą miejscowo zmieniać pH powodując efekt autokatalityczny Produkty hydrolizy mogą zwiększać hydrofilowość materiału Pęknięcia mogą służyć, jako miejsca, gdzie rozpoczyna się proces kalcyfikacji Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Definicja biodegradowalności
Biodegradacja – chemiczny rozkład materiału pod wpływem działania organizmów żywych prowadzący do utraty właściwości fizycznych. Proces zachodzący w ciągu kilku minut lub kilku lat; Może zachodzić po pewnym zaprogramowanym czasie od momentu implantacji lub może zachodzić nieoczekiwanie jako konsekwencja długoterminowego użytkowania implantu, Materiał implantu z upływem czasu może ulegać rozpuszczeniu, kruszyć się, stać się elastyczny lub sztywny, Biodegradacja dotyczy wszystkich typów materiałów implantowalnych: metali, ceramiki, polimerów i kompozytów Ta część wykłady dotyczy biodegradacji jako zjawiska niekorzystnego

Proces biodegradacji polimerów
Materiały polimerowe zwykle są niezawodne w zaplanowanym okresie użytkowania. przedkliniczne testy kompozycji, prototypów, trwałości próby starzeniowe, próby na zwierzętach, obróbka statystyczna przegląd po zaplanowanym czasie użytkowania daje ostateczną odpowiedź na temat trwałości implantu Żaden polimer nie jest w 100% odporny na działanie organizmu. Na ostateczną wytrzymałość materiału mają wpływ wszystkie operacje przeprowadzone na polimerze od momentu wytworzenia Najlepszym przykładem degradacji biomateriału w okresie przed implantacją jest sterylizacja promieniowaniem gamma UHMWPE stosowanego do produkcji sztucznych stawów. Proces generuje wolne rodniki, które reagują z tlenem tworząc niepożądane produkty utlenienia. Po naświetlaniu promieniowaniem gamma procesy utleniania lub cięcia łańcucha mogą następować w okresie do kilku miesięcy, a nawet lat powodując spadek wytrzymałości i kruchość materiału. Ograniczony jest również czas przechowywania takich implantów. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces biodegradacji polimerów
Po implantacji: adsorpcja i absorbcja – woda, białka, tłuszcze, najpierw na powierzchni, a później wewnątrz materiału. przyłączenie elementów komórkowych – inicjacja procesów chemicznych Absorpcja płynów prowadzi do efektu plastyfikacji powodując zmiany wymiarów i właściwości mechanicznych. Procesy biegnące na powierzchni materiału z czasem ustają z powodu wytworzenia bariery oddzielającej materiał od organizmu Do tej pory nie ma wyczerpujących informacji na temat procesów zachodzących w organizmie po implantacji, obserwacje dotyczą głównie analizy materiałów po implantacji oraz produktów degradacji (wskazują na przebieg hydrolizy i utleniania). Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Degradacja hydrolityczna
Hydroliza – rozpad grup funkcyjnych w wyniku reakcji z wodą. Reakcja ta może być katalizowana prze kwasy, zasady, sole i enzymy. Podatność polimeru na hydrolizę wynika z jego budowy chemicznej, sposobu uporządkowania łańcuchów, długości łańcuchów oraz warunków środowiska zewnętrznego. Zwykle biomateriały podatne na hydrolizę posiadają w łańcuchu głównym grupy karbonylowe połączone z atomami tlenu, azotu lub siarki. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Grupy funkcyjne podatne na hydrolizę
Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Grupy funkcyjne odporne na hydrolizę
Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Szybkość degradacji hydrolitycznej
Czynniki przyspieszające: Duża ilość grup podatnych na hydrolizę w łańcuchu głównym lub grupach bocznych Obecność grup polarnych zwiększających hydrofilowość polimeru Mały stopień krystaliczności (polimery amorficzne degradują szybciej) Rozwinięta powierzchnia materiału (powierzchnia/objętość), np. materiały porowate Naprężenia mechaniczne Czynniki opóźniające: Duża ilość grup hydrofobowych np. łańcuchy węglowodorowe, perfluorowane Duży stopień usieciowania materiału Duży stopień krystaliczności Wcześniejsza obróbka materiału (wygrzewanie, rozciąganie) Brak naprężeń mechanicznych Zwarta budowa Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces degradacji hydrolitycznej inicjowany przez organizm gospodarza
Opis środowiska Bardzo stabilne środowisko reakcji : 37C, pH=7,4, aseptyczne, zabezpieczone przed promieniami słonecznymi. Obecność płynów ustrojowych i komórek zawierających: aktywatory, receptory, inhibitory itp. Obecność mechanizmów obronnych reagujących na „ ciało obce” na zasadzie adhezji, reakcji chemicznych, transportu. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Scenariusze procesu degradacji hydrolitycznej
inicjowanego przez organizm gospodarza 1. Hydroliza w neutralnym środowisku wodnym może zachodzić z dużą szybkością dla niektórych polimerów np. poliglikolidu ten mechanizm jest mało prawdopodobny dla większości materiałów polimerowych zaprojektowanych jako biomateriały do zastosowania in vivo 2. Hydroliza katalizowana obecnością jonów H+, OH-, Na+, Cl-, HCO3-, PO43-, K+, Mg2+, Ca2+, SO42- Niektóre jony mogą zwiększać prędkość hydrolizy polimerów o kilka rzędów wielkości np. PO43- podczas hydrolizy poliestrów efekt działania soli może być powierzchniowy lub w całej objętości biomateriału związki jonowe mają mały wpływ na hydrolizę polimerów hydrofobowych, duży zaś na hydrolizę hydrożeli niektóre cząsteczki (lipoproteiny) mogą transportować nieorganiczne jony do wnętrza polimeru (mechanizm nieokreślony) 3. Hydroliza w kwaśnym środowisku wodnym może zachodzić w tkankach objętych infekcją lub ostrym stanem zapalnym spowodowanym wszczepieniem biomateriału ten mechanizm jest mało prawdopodobny dla większości materiałów polimerowych zaprojektowanych jako biomateriały do zastosowania in vivo Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Scenariusze procesu degradacji hydrolitycznej
inicjowanego przez organizm gospodarza 4. Hydroliza enzymatyczna enzymy mogą wpływać na szybkość reakcji chemicznych bez zużywania się w tych reakcjach. Zmieniają energię aktywacji bez zmiany termodynamicznego stanu równowagi. enzymy występują z płynach międzykomórkowych co pozwala im na łatwy dostęp do implantu enzymy hydrolityczne - hydrolazy (proteazy, esterazy, lipazy, glikozydazy) nazywane są w zależności od struktur, które są zdolne hydrolizować pozbawienie biopolimeru sekwencji wiązań chemicznych rozpoznawanych przez część receptorową enzymów może poprawić jego odporność na hydrolizę enzymatyczną polimery syntetyczne są zwykle bardzoej odporne na działanie enzymów niż polimery naturalne enzymy wykazują bardzo dużą selektywność działania np. polieterowe poliuretanomoczniki i poliestrowe poliuretano-moczniki poddane działaniu esterazy wykazały hydrolizę wyłącznie wiązań estrowych. Wiązania uretanowe, mocznikowe i eterowe nie uległy hydrolizie ze względu na wielkość działanie enzymów ogranicza się do powierzchni biomateriału. Nawet poliakryloamidowe hydrożele wykazują ograniczoną absorpcję enzymów (od określonych wielkością porów wymiarów) erozja powierzchni może powodować wzrost szybkości hydrolizy enzypatycznej stany zapalne spowodowane obecnością biomateriału mogą być przyczyną zwiększonego wydzielania enzymów Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Zachowanie w organizmie niektórych polimerów
potencjalnie podatnych na hydrolizę Poliestry: odporne na hydrolię (PET), podatne na hydrolizę (polikaprolakton itp.) PET – poli(tereftalan etylenu) – wytrzymały mechanicznie, elastyczny, krystaliczny, powszechnie uważany za biostabilny , używany m.in. chirurgii naczyniowej jako protezy naczyń i elementy zastawek są doniesienia, że PET może ulegać degradacji in vivo w czasie długotrwałego użytkowania przyczyny: niewłaściwe przetwórstwo, degradacja hydrolityczna absorpcja przez organizm (badania na zwierzętach) 30  7 lat, utrata 50% wytrzymałości mechanicznej po 10  2 latach w przypadku infekcji (pH = 4,8) szybkość hydrolizy rośnie wykładniczo Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

potencjalnie podatnych na hydrolizę Poliuretany: odporne na hydrolizę, stosowane w rekonstrukcyjnej chirurgii plastycznej lub ortopedycznej nie powodują ostrych stanów zapalnych poliuretany zawierające fragmenty poliestrowe są podatne na degradację hydrolityczną, zaś polieterowe na degradację spowodowaną utlenianiem. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

potencjalnie podatnych na hydrolizę Poliamidy: Nylony – zawierają podatne na hydrolizę grupy aminowe (występujące także w białkach) wykazują absorpcję wody nawet do 11%w. ulegają degradacji hydrolitycznej katalizowanej jonami nieorganicznymi oraz powierzchniowo hydrolizie enzymatycznej. Spadek wytrzymałości mechanicznej PA6.6 25% po 90 dniach 83% po 726 dniach Poliamidy długołańcuchowe (PA11, PA12) oraz aromatyczne (kevlar ) i aromatyczno alifatyczne PA T.6 są mniej podatne na hydrolizę ze względu na większą lipofilowość Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

potencjalnie podatnych na hydrolizę Policyjanoakrylany – stosowane jako kleje do tkanek, rzadki przykład polimeru, w którym rozpadowi w wyniku hydrolizy ulegają wiązania C-C hydroliza następuje w wyniku silnego oddziaływania indukcyjnego na grupę metylenową, spowodowanego obecnością grup wyciągających elektrony. Policyjanoakrylany tworzą się w wyniku reakcji polimeryzacji katalizowanej cząsteczkami wody obecnymi na klejonej powierzchni. Woda obecna w tkankach może powodować hydrolizę polcyjanoakrylanów w odwrotnej reakcji Knoevenagla Bardziej zasadowe środowisko lub działanie enzymów przyspiesza hydrolizę policyjanoakrylanów Czas degradacji 4-6 tygodni Homologi z dłuższymi łańcuchami alifatycznymi degradują wolniej i są mniej cytotoksyczne Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Degradacja oksydatywna
Dwa mechanizmy degradacji: Homolityczna reakcja łańcuchowa: inicjowanie, propagacja, terminacja Jonowy proces heterolityczny Procesy degradacji oksydatywnej dzieli się na dwie kategorie w zależności od źródła inicjowania reakcji: procesy inicjowane przez organizm gospodarza procesy inicjowane przez materiał implantu lub środowisko zewnętrzne Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Homolityczna reakcja łańcuchowa: inicjowanie, propagacja, terminacja Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Jonowy proces heterolityczny Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Grupy funkcyjne podatne na utlenianie Grupy podatne na utlenienie posiadają budowę ułatwiającą oderwanie atomu lub jonu i zapewniają stabilizację struktury powstałego rodnika lub jonu. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Stabilizacja rezonansowa w układach eterowych i rozgałęzionych strukturach alifatycznych Inne pochodne są stabilizowane rezonansowo w podobny sposób. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza
Degradacja oksydatywna Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza Generowane przez organizm cząsteczki inicjują lub potęgują procesy oksydatywne na makrocząsteczkach polimeru Te reaktywne cząsteczki pochodzą ze zaktywowanych komórek fagocytów (Fagocyt – komórka żerna – każda komórka zdolna do fagocytozy) w odpowiedzi na powstanie rany i umieszczenie ciała obcego w miejscu implantacji. Fagocyty powstają w szpiku kostnym i „zamieszkują” układ krążenia oraz tkankę łączną: Neutrofile – granulocyty obojętne, Monocyty – mogą przekształcać się w makrofagi. Fagocyty mogą przekształcać tlen w aniony ponadtlenkowe. Te zaś ulegają transformacji enzymatycznej do nadtlenku wodoru, który następnie jest przekształcany w kwas podchlorawy. Utlenia on grupy aminowe obecne np. w białkach do chloramin, które są trwałym czynnikiem utleniającym. Anion ponadtlenkowy Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza
Degradacja oksydatywna Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza Podchloryny mogą utleniać także inne związki azotu (aminy, moczniki, uretany…) prowadząc do rozszczepienia grup funkcyjnych. Wolne jony żelaza zwykle obecne w ilościach zaniedbywalnych, są uwalniane w wyniku hemolizy i mogą asystować w powstawaniu rodników hydroksylowych o silnym działaniu utleniającym. Rysunek obok pokazuje potencjalne rodnikowe i jonowe pochodne kwasu podchlorawego, które mogą inicjować proces utleniania biomateriału. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces fagocytozy z enzymatycznym wytworzeniem kwasu podchlorawego
Degradacja oksydatywna Proces fagocytozy z enzymatycznym wytworzeniem kwasu podchlorawego myeloperoksydaza Organizm próbuje usunąć implant (ciało obce) w procesie fagocytozy. Powoduje to ciągły napływ związków chemicznych do biomateriału. Ten proces może trwać miesiące, a nawet lata, co może prowadzić do chemicznej degradacji polimeru. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza Pękanie naprężeniowe utlenianie przez organizm gospodarza Ważną kategorią utleniania inicjowanego przez organizm gospodarza jest pękanie naprężeniowe. Pękanie naprężeniowe w organizmie gospodarza różni się od klasycznego procesu, w którym materiał poddawany jest naprężeniom w środowisku cieczy, która może przenikać przez materiał, ale go nie rozpuszcza. Klasycznemu procesowi nie towarzyszą reakcje chemiczne. Pękaniu naprężeniowemu w organizmie gospodarza towarzyszą zmiany chemiczne na powierzchni. Przykładem materiałów podatnych na utlenianie są poliuretany na podstawie oligoeteroli. Pęknięcia widoczne na obrazkach były proporcjonalne do częstotliwości i wartości naprężenia, ale również od zawartości segmentów miękkich (polieterowych). Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza Pękanie naprężeniowe utlenianie przez organizm gospodarza Poliuretany na podstawie oligoeteroli są stabilne hydrolitycznie in vivo. Pęknięcia poliuretanu w powiększeniu wykazują charakter regularny i są prostopadłe do wektora działania siły z szorstką powierzchnią i fragmentami mostkowymi, co wskazuje na charakter plastyczny, a nie kruchość materiału. Badania FTIR (spadek intensywności pasma przy 1110 cm-1 i wzrost intensywności pasm grup karbonylowych i hydroksylowych) wykazały, że utlenianie ma miejsce tylko na powierzchni, a nie wewnątrz materiału. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Bezpośrednie utlenianie przez organizm gospodarza Ścieżki fragmentacji segmentów polieterowych Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez materiał implantu Utlenianie inicjowane jonami metali Proces degradacji oksydatywnej inicjowanej jonami metalu obserwowano między innymi w przypadku rozruszników serca pokrytych poliuretanami na podstawie oligoeteroli w na powierzchni przewodów. Proces ten wymaga bardzo specyficznego zestawu warunków. Proces inicjowany jonami metali zachodzi przeważnie na wewnętrznej stronie izolacji przewodów w pobliżu skorodowanych fragmentw metalu i zamkniętych produktów korozji. Ten typ degradacji charakteryzuje się powstawaniem pęknięć o gładkich powierzchniach. Powiększenie pokazuje nieregularne ułożenie pęknięć w materiale. Wskazuje to na kruchość materiału. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez materiał implantu Utlenianie inicjowane jonami metali Ten rodzaj degradacji potwierdzono w badaniach in vitro umieszczając poliuretan w roztworach soli metali o różnych standardowych potencjałach utleniania. Powyżej potencjału utleniania +0,77 następowała poważna degradacja chemiczna. Poniżej tego potencjału obserwowano głównie zmiany charakterystyczne dla plastyfikacji materiału (tabela 4). Wykazano również, że ten typ degradacji jest proporcjonalny do zawartości fragmentów polieterowych w poliuretanie (tabela 5). Potwierdzono również, in vivo, że kobalt i jego stopy powodują oksydatywne pękanie poliuretanów. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez materiał implantu Utlenianie inicjowane jonami metali Proces utleniania inicjowanego jonami metali polega w pierwszym etapie na korozji materiału metalicznego i pojawieniu się metalu w postaci jonowej, a następnie na utlenieniu polimeru. Jony metali mogą być generowane w procesach: solwatacji korozji galwanicznej, chemicznego lub biochemicznego utleniania. Jony metali generują potencjał utleniający, który może być wzmocniony przez płyny ustrojowe. Jako silne czynniki utleniające powodują powstawanie pochodnych lub bezpośrednio atakować cząsteczki polimeru inicjując reakcję łańcuchową. Proces utleniania inicjowanego jonami metali jest procesem złożonym, w którym zachodzą oddziaływania między metalem, polimerem i organizmem gospodarza. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez materiał implantu Utlenianie inicjowane jonami metali Możliwe drogi kontroli utleniania inicjowanego jonami metali: zastosowanie metali odpornych na korozję zapewnienie wymywania jonowych produktów korozji z powierzchni polimeru izolowanie metalu i polimeru od roztworu zawierającego elektrolit zastosowanie antyutleniaczy zastosowanie polimerów odpornych na utlenianie. Fragmenty miękkie pliuretanów nie posiadające wiązań estrowych i eterowych np. uwodorniony polibutadien polisiloksany poliwęglany pochodne kwasów tłuszczowych Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez otoczenie
Degradacja oksydatywna Proces inicjowany przez otoczenie W pewnych ściśle określonych warunkach organizm może przepuszczać promieniowanie elektromagnetyczne, które może oddziaływać z materiałem implantu. Np. rogówka i płyn ciała szklistego w oku oraz powierzchniowe warstwy skóry mogą przepuszczać promieniowanie UV o długości fali nm. Absorpcja promieniowania powoduje wzbudzenie elektronów, które mogą powodować degradację foto-oksydatywną. Przykładem jest degradacja polipropylenowych soczewek wewnątrzgałkowych wszczepianych do oka w celu korekcji bezsoczewkowości powstałej najczęściej w wyniku usunięcia zaćmy. Elastomery stosowane jako elementy endo- i egzoprotez w chirurgii szczękowej mogą ulegać zmianom koloru i właściwości mechanicznych pod wpływem światła słonecznego. Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Proces inicjowany przez otoczenie
Degradacja oksydatywna Proces inicjowany przez otoczenie Mechanizm foto-oksydacji zachodzący w segmentach sztywnych polietero- i poliestrouretanów. Dodatek antyutleniaczy i absorbentów UV powoduje ograniczenie tego typu procesów Biomaterials Science An Introduction to Materials in Medicine Academic Press San Diego London Boston New York Sydney Tokyo Toronto

Degradacja materiałów w środowisku biologicznym

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Degradacja materiałów w środowisku biologicznym"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Degradacja materiałów w środowisku biologicznym

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Degradacja materiałów w środowisku biologicznym"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres