MATERIAŁY niezbędnik fizyka Zbigniew Nawrat

KOŚCI

Wprowadzenie implantu do kostnych struktur nośnych powoduje, iż najczęściej przejmuje on całość przenoszonych obciążeń. Z kolei niedociążenie kości powoduje powstanie procesu osteolizy (rozpuszczania kości). Dlatego też dobór odpowiednich właści­wości mechanicznych (moduł sprężystości E, moduł Kirchoffa G, liczba Poissona V, parametry geometryczne) wszczepu do właściwości danej struktury kostnej nabiera pierwszorzędnego znaczenia. Wszczep musi ponadto sprostać odpowiednim obciążeniom, zarówno statycznym, jak i dynamicznym. W ustrojach nośnych człowieka podczas czynności życiowych pojawiają się bardzo duże obciążenia (siły zewnętrzne oraz oddziaływanie mięśni i więzadeł). Wszczepy muszą się charakteryzować możliwie dużą wytrzymałością zmęczeniową. Implanty podlegają na ogół obciążeniom zmiennym. Wszczepy metalowe zachowują się inaczej w trakcie obciążeń dynamicznych niż kość, która w odróżnieniu od implantów jest strukturą kompozytową.

Definicje niektórych mechanicznych właściwości materiałów: Wytrzymałość - zdolności materiału do przenoszenia obciążeń bez jego zniszczenia. Twardość - zwykle definiowana jako odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych działających na małą powierzchnię tego materiału. Sprężystość - zdolność materiału do odzyskania pierwotnego kształtu i wymiarów po usunięciu obciążeń, wywołujących odkształcenie. Plastyczność - zdolność materiału do osiągnięcia nowych kształtów oraz zachowa­nia tych kształtów po zdjęciu obciążenia, bez naruszenia spójności (pęknięć).

Ciągliwość - zdolność materiału do ulegania dużym odkształceniom trwałym pod działaniem sił bez pęknięć. Wiązkość - zdolność materiału do nieodwracalnego pochłaniania mechanicznej ener­gii odkształcenia. Kruchość - przeciwieństwo wiązkości, właściwość materiału polegająca na jego pękaniu bez uprzednich znaczniejszych odkształceń plastycznych. W celu określenia własności mechanicznych materiałów podanych określonym stanom naprężenia prowadzi się badania wytrzymałościowe.

Porównanie wykresów (pierwsza faza) rozciągania dla różnych materiałów

Żaden z dotychczas znanych materiałów nie spełnia jednocześnie wszystkich wymagań. Najczęściej wszelkiego rodzaju wszczepy (implanty metalowe) wykonuje się z następujących materiałów: stale austenityczne, stopy na osnowie kobaltu, stopy na osnowie tytanu, metale szlachetne. Najczęściej stosowane są stale austenityczne z dodatkami Cr-Ni, które poprawiają ich biotolerancję. Tak duża popularność w stosowaniu wynika przede wszystkim z ich stosunkowo niskiej ceny.

Bioceramika najczęściej jest stosowana w implantacji elementów endoprotez oraz segmentów sztucznej kości. Szczególnie duże walory wykazuje ceramika jako wszczep zastępujący ubytki układu kostnego. Wszczepy ceramiczne z po­wodzeniem zastępują wszczepy kostne autogenne; łatwo ulegają obrośnięciu tkanką kostną. Optymalne wrastanie w strukturę kostną zapewniają pory wielkości od 100 do 150 m. Najszybsze wrastanie kości obserwuje się, gdy rozmiary porów wynoszą od 500 do 1000 m. Przeszczep kostny, zanim zostanie przebudowany, ulega resorpcji, traci swoje właściwości podporowe. Wszczep ceramiczny nie podlega tym procesom. bezporowata ceramika jest stosowana jako materiał na główki endoprotez stawu biodrowego. W praktyce klinicznej wielu ośrodków uważa się, że najlepszą konstrukcję endoprotezy stanowi trzpień ze stopów na bazie tytanu, pokryty warstwą porowatą (hydroksyapatyt), głowa natomiast z ceramiki bezporowatej = dobra trwałość, tj. małe zużycie cierne, oraz dobra biotolerancja biologiczna.

Metale z pamięcią kształtu właściwość niektórych stopów, które po ogrzaniu przyjmuj ą kształt nadany im uprzednio (shape memory) umożliwiaj ą regulację odkształceń i sił docisku w stosowanych implantach. Najszersze zastosowania metali, w których występuje zjawisko zapamiętywania kształtu mają stopy Ni-Ti oraz trójskładnikowe Cu-Zn-Al. Zastosowania medyczne: klamry kostne, sztuczne krążki międzykręgowe.

W ostatnich latach obserwuje się intensywny rozwój oraz zastosowanie w implantacji materiałów biodegradowalnych. Przykładem takiego materiału może być polilaktyd (poliestercykliczny hydroksy kwasu). Materiał ten jest chyba jednym z bardziej intere­sujących tworzyw do wytwarzania implantów resorbujących się wewnątrz struktur anatomicznych. Poliaktyd znajduje zwłaszcza zastowanie w osteosyntezie (połączenie kostne). Mogą być z niego wytwarzane biodegradowalne śruby, kostne płytki do osteosyntezy, itp

Stabilizatory stosowane w leczeniu chorób kręgosłupa Leczenie operacyjne uszkodzeń kręgosłupa powinno spełnić trzy podstawowe funkcje: 1. Zapewnić, przez odbarczenie, optymalne warunki dla przywrócenia funkcji rdze­nia i korzeni nerwowych. 2. Odtworzyć możliwie poprawnie struktury anatomiczne kręgosłupa, ze szczególnym uwzględnieniem kanału kręgowego. 3. Przywrócić stabilność w uszkodzonym segmencie ruchowym kręgosłupa.

KAPSUŁY

Algi to ogromne rośliny żyjące w morzach, a także te mniejsze z rzek i jezior, niewielkie roślinki w rowach melioracyjnych, wreszcie zdobiące nasze domowe akwaria. Botanicy wyodrębnili ponad 20 tys. gatunków alg morskich. Zawierają niezwykłe bogactwo substancji organicznych - aminokwasy, proteiny, węglowodany, oraz nieorganicznych - związki jodu, magnesu, potasu, chloru, żelaza, wreszcie elementy śladowe miedzi, cynku, kobaltu, wanadu, strontu i innych. Algi są znakomicie przyswajane przez tkanki ludzkie, ponieważ skład chemiczny ich plazmy podobny jest do składu plazmy człowieka. Najwięcej alg zbiera się u wybrzeży Bretanii, Japonii i Hawajów. Zawartość w roślinach dobroczynnych substancji zależy od czystości wód, w których rosną, oraz od warunków zbioru - od pory roku, pogody, a nawet fazy księżyca podczas "połowu". Zebrane algi najpierw mrozi się lub suszy. Następnie poddaje dalszej obróbce np. tzw. mikronizacji, wydobywaniu plazmy z ich komórek, pozyskiwaniu ekstraktów.

Badania polskich naukowców z AM w Łodzi są kontynuacją prac, które prowadzi się w wielu światowych laboratoriach co najmniej od 1954 roku. Jednak dopiero rozwój chemii polimerów, a zwłaszcza zastosowanie w latach 70. przez Lima i Suna naturalnego polimeru otrzymywanego z glonów morskich - alginianu sodu - użytego do ochraniania przeszczepionych komórek produkujących insulinę przed działaniem czynników układu odpornościowego biorcy, na nowo rozbudziły zainteresowania tym tematem. Ochraniane w ten sposób, izolowane z trzustki wysepki Langerhansa, w postaci makrokapsułek zostały już wszczepione człowiekowi w 1994 r. przez Soon-Shionga. Normoglikemia utrzymywała się u chorego przez 3 miesiące. Doświadczenia te powtarzano w laboratoriach Kanady i Szwajcarii, ale - jak dotąd - brak doniesień o rutynowym ich stosowaniu. Izolowane z narządów komórki żyły i funkcjonowały w polimerowej sieci, ale ta oplatająca je sieć nie pozwalała na ich namnażanie. I to najprawdopodobniej było jednym z powodów krótkiego działania wszczepionego układu komórek.

WODA

Człowiek zbudowany jest w 70% z wody Człowiek zbudowany jest w 70% z wody. Niezbędna w podtrzymywaniu wszystkich procesów biologicznych, bierze udział w procesie wchłaniania pożywienia z jelit i w odżywianiu komórek. Woda w organizmie jest przenośnikiem i regulatorem ciepła, pochłania jego nadwyżki i wydala je w czasie parowania przez skórę i drogami oddechowymi. Bierze udział we wszystkich reakcjach biochemicznych, zwilża błony śluzowe, gałkę oczną i zapewnia ruchliwość stawów. Dorosły człowiek jest w stanie przeżyć bez jedzenia ponad miesiąc, lecz bez wody zaledwie kilka dni. Niedostateczna jej podaż doprowadza do szybkiego odwodnienia organizmu - niedobór wody wynoszący około 10% masy ciała powoduje niewydolność fizyczną i psychiczną, a utrata 20% może doprowadzić do śmierci. Dzienne zapotrzebowanie człowieka wynosi średnio 2,5 litra wody, co oznacza wymianę w ciągu doby od 3% do 6% wody ustrojowej. Całość wody znajdującej się w naszym organizmie wymieniana jest w ciągu 20 dni. Ilość wody potrzebna do uzupełnienia bilansu wodnego zależna jest od wielu czynników, przede wszystkim od wieku, aktywności fizycznej, temperatury otoczenia i wilgotności powietrza.

Woda jest najlepszym i najbardziej uniwersalnym rozpuszczalnikiem zarówno ciał stałych jak cieczy i gazów i jest najbardziej rozpowszechnionym związkiem chemicznym w przyrodzie, znajdującym się w stałym obiegu. Szczególną cechą wody jest jej duża pojemność cieplna, która jest dziesięciokrotnie większa od pojemności cieplnej żelaza. Woda ogrzewa się bardzo wolno, ale za to długo utrzymuje ciepło i dzięki temu jest w stanie skutecznie łagodzić klimat i zmniejszać wahania temperatury. W czasie zamarzania powiększa swoją objętość - zmniejsza się jej ciężar właściwy, a więc staje się „lżejsza".

BIAŁKA

Białka – podstawowe składniki wszystkich organizmów zwierzęcych i roślinnych. Niektóre białka są materiałem budulcowym organizmu, inne kierują przemianą materii (enzymy, hormony). Są to substancje wielkocząsteczkowe o masie cząsteczkowej od ok. 10000 do kilku milionów, zbudowane z aminokwasów powiązanych wiązaniem peptydowym  -CO- NH- , które powstaje z grupy karboksylowej jednego kwasu i grupy aminowej drugiego przez odciągnięcie cząsteczki wody. Większość białek ma naturę koloidalną, są także wrażliwe na różne czynniki fizyko – chemiczne, pod wpływem których ulegają denaturacji. Wyodrębnianie białka z materiału biologicznego i oczyszczanie jest trudne. Pod wpływem hydrolizy chemicznej lub enzymatycznej białka rozpadają się na mniejsze fragmenty – peptydy, a końcowym etapie – na aminokwasy (hydrolizaty białkowe). Stanowią one substrat do biosyntezy białek naturalnych. Rozpuszczone w wodzie, przedostają się do komórek. W rybosomach zamieniają się w białka. O sekwencji powstających białek decyduje kod genetyczny zawarty w cząsteczkach kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), przekazywany do rybosomu za pośrednictwem kwasu rybonukleinowego (RNA).

Białka - cząsteczki chemiczne spełniające różne funkcje białka strukturalne białka enzymatyczne zbudowane z 20 aminokwasów

Funkcje białek: enzymatyczna - katalizowanie reakcji chemicznych sygnalizacyjna - detekcja hormonów i neuroprzekaźników transportowa - transport substancji magazynowa - magazynowanie substancji i materiałów odżywczych strukturalna - budowa tkanek łącznych motoryczna - ruch mięśni odpornościowa - przeciwciała regulacyjna - czynniki regulujące ekspresję genów i rozwój

Białka opiekuńcze pomagają przy fałdowaniu białek Funkcję białka określa jego struktura Strukturę białka określa jego sekwencja denaturacja i renaturacja białka odtworzenie struktury na podstawie sekwencji Białka opiekuńcze pomagają przy fałdowaniu białek

  Denaturacja białek jest zjawiskiem polegającym na niszczeniu ich struktury przestrzennej. Białko zdenaturowane zachowuje strukturę I, a nawet II-rzędową, ale nie może pełnić swoich funkcji biologicznych z powodu utraty charakterystycznej dla niego budowy przestrzennej Z powodu silne mieszanie ogrzewanie naświetlanie promieniami UV, rentgenowskimi działanie ultradźwiękami

Układ koloidalny, inaczej koloid to niejednorodna mieszanina dwóch substancji tworząca układ, w którym jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. Stopień rozdrobnienia substancji rozproszonej jest bardzo duży – tak duży, że fizycznie układ sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak rozdrobnienie to jest mniejsze niż na poziomie pojedynczych cząsteczek . O układzie koloidalnym możemy mówić wtedy, gdy wielkość cząstek fazy rozproszonej sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy fazą zdyspergowaną i dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz.

Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciagłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagualacja odwracalna i nieodwracalna. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej. Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzywa sztuczne, oraz produkty koagulacji białek, takie jak np: jogurt. Za pomocą koagulacji uzyskiwany jest dość znaczny efekt oczyszczania ścieków np. usuwanie BZT5 może osiągnąć 85%, zawiesin do 90%. Koagulacja białka to proces zmiany jego trzeciorzędowej struktury, prowadzący do łączenia się rozpuszczalnych w wodzie białek w nierozpuszczalne strzępki i całkowitej utraty ich aktywności biologicznej. Koagulacja białek może następować pod wpływem temperatury lub czynników chemicznych.

U człowieka białka stanowią ok. 56% suchej masy ciała. Białka stanowią podłoże lub biorą udział w licznych procesach fizjologicznych: przenoszeniu i magazynowaniu różnych substancji, utlenianiu tkankowym, krzepnięciu krwi, procesach odpornościowych, procesach widzenia, przewodzenia bodźców nerwowych, skurczu mięśni, dostarczaniu energii, regulacji procesów metabolicznych, stężenia jonów, ciśnienia osmotycznego (ciśnienie onkotyczne). Wszystkie te funkcje białka spełniają dzięki odwracalnym zmianom swej struktury przestrzennej.  

„Struktura ta wykazuje nowe cechy, mające istotne znaczenie dla biologii.” James D. Watson, Francis H.C. Crick, Nature, 25 kwietnia 1953r.

TENSEGRALNOŚĆ Układ samostabilizujący się mechanicznie, w którym naprężenia ściskające i rozciągające są odpowiednio rozprowadzane i równoważone.

STRUKTURA KOMÓREK ZALEŻY OD ISTNIENIA CYTOSZKIELETU ORAZ OD MACIERZY ZEWNĄTRZKOMÓRKOWEJ