INŻYNIERIA MATERIAŁOWA W BIOMECHANICE WYDZIAŁ MECHATRONIKI Instytutu Mikromechaniki i Fotoniki INŻYNIERIA MATERIAŁOWA W BIOMECHANICE Prezentację przygotował Wojciech Pręgowski gr.M54 APARATURA BIOMEDYCZNA

PODSTAWOWE DEFINICJE Biomateriały to każda substancja inna niż lek albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadanie jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek narządu albo jego części lub spełniania ich funkcji Biomechanika jest nauką o wewnętrznych i zewnętrznych siłach działających na ciało ludzkie i ich skutkach. Biomechanika ułatwia zrozumienie normalnego funkcjonowania organizmu oraz pozwala przewidzieć zmiany w przypadku sztucznej interwencji Inżynieria Materiałowa jest nauką zajmującą się relacją między budową a właściwościami materiałów oraz możliwością zastosowania ich w konkretnych przypadkach

BIOMATERIAŁY PRZY DOBORZE MATERIAŁÓW BIERZE SIĘ POD UWAGĘ: biozgodność oraz biotolerancję dla danego osobnika własności mechaniczne i wytrzymałościowe stopień kontaktu z ciałem ludzkim (stopień inwazyjności) oddawanie energii lub substancji do ciała lub na ciało okres zastosowania możliwości wykonawcze ekonomiczność rozwiązania

BIOMATERIAŁY Właściwości charakteryzujące biomateriały: fizyczne (gęstość, lepkość, przewodność cieplna i elektryczna) mechaniczne (wytrzymałość, sprężystość, odporność zmęczeniowa) technologiczne (obrabialność, kształtowanie powierzchni) odporność korozyjna biologiczne (biozgodność, biotolerancja) finansowe (możliwe do przyjęcia koszty wytwarzania)

MATERIAŁY W BIOMECHANICE BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY

MATERIAŁY W BIOMECHANICE BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY

Wysoka odporność na korozję Dobra jakość metalurgiczna i jednorodność MATERIAŁY METALICZNE Wymagania : Wysoka odporność na korozję Dobra jakość metalurgiczna i jednorodność Zgodność tkankowa (nietoksyczność) Odporność na zużycie ścierne Brak tendencji do tworzenia zakrzepów Odpowiednie własności elektryczne Odpowiednie własności wytrzymałościowe

Rogers rok 1827 - zespolenie kości w postaci ściegu MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: Rogers rok 1827 - zespolenie kości w postaci ściegu Listers rok 1877 - zespolenie kości za pomocą trzpieni srebrnych / zwrócił uwagę na septyczność implantów Hausman rok 1886 - po raz pierwszy użyto płytki ze srebra i mosiądzu, które połączono z kością przy pomocy śrub

MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: bracia Lambotte rok 1907 - po raz pierwszy zwrócono uwagę na problem wchłaniania metalu do kości tzw. metalozy Sherman rok 1912 – udoskonalanie konstrukcji aatabilizatora poprzez wprowadzenie płytek z aapoprzecznym wyżłobieniem ze stali aawanadowej

Pierwsze próby: Hausman rok 1886 bracia Lambotte rok 1907 MATERIAŁY METALICZNE Pierwsze próby: Hausman rok 1886 bracia Lambotte rok 1907 Sherman rok 1912

Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W) MATERIAŁY METALICZNE Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W) Bardzo wysoka odporność na korozję Własności mechaniczne zależne od domieszek

Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W) MATERIAŁY METALICZNE Zastosowanie: Endoprotezy stawowe Płytki Wkręty Groty Druty Stopy na osnowie kobaltowej (CoCrMo + Fe,Ni,W)

MATERIAŁY METALICZNE Płytki i wkręty płytki wkręty

MATERIAŁY METALICZNE Płytki i wkręty

Stabilizator nadgarstka Stabilizator stawu łokciowego MATERIAŁY METALICZNE Stabilizatory Stabilizator nadgarstka Stabilizator stawu łokciowego

Ti-6Al-4V (Protasul 64WF), Ti-6Al-7Ni MATERIAŁY METALICZNE • Tytan i jego stopy Ti-6Al-4V (Protasul 64WF), Ti-6Al-7Ni Mniejszy ciężar niż stopy Fe lub Co Bardzo wysoka wytrzymałość

Elementy do zespalania odłamów kości Protetyka stomatologiczna MATERIAŁY METALICZNE Zastosowanie: Endoprotezy stawowe Elementy do zespalania odłamów kości Protetyka stomatologiczna Kardiochirurgia • Tytan i jego stopy Ti-6Al-4V (Protasul 64WF), Ti-6Al-7Ni

• Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) MATERIAŁY METALICZNE • Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) Zastosowanie: Ortodoncja (korekcja wadliwego zgryzu) Stabilizator do leczenia skolioz Tulejki dystansowe kręgosłupa Implanty krótkotrwałe

• Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) MATERIAŁY METALICZNE • Stopy z pamięcią kształtu (NiTi, TiNb, Ti6Al4V) nie zawsze dokładne odwzorowanie pierwotnego kształtu problemy z biotolerancją (Nikiel)

Klamra z pamięcią kształtu MATERIAŁY METALICZNE Klamra z pamięcią kształtu klamra złamanie śródstopia

• Aluminium i jego stopy MATERIAŁY METALICZNE • Aluminium i jego stopy Niewielki ciężar Łatwość formowania, obróbki Niski koszt wytworzenia Zastosowanie: np. Do konstrukcji ortez

• Orteza aluminiowa pokryta pianką i materiałem MATERIAŁY METALICZNE • Orteza aluminiowa pokryta pianką i materiałem

MATERIAŁY W BIOMECHANICE BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY

MECHANICZNE ZESPALANIE KOŚCI TWORZYWA SZTUCZNE MECHANICZNE ZESPALANIE KOŚCI Poliamidy (gwoździe poliamidowe) Nie daje odczynów zapalnych Łatwy do formowania (np.nożem operacyjnym) Rozgrzany do temp. 60 C daje się dowolnie kształtować O

Wymagania stawiane klejom: TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Wymagania stawiane klejom: Duża wytrzymałość na wpływy wewnątrz ustrojowe Brak toksycznego wpływu na otaczające tkanki Duża przylepność do tkanki kostnej Porowatość dla zachowania wzrostu nowych komórek kostnych

Leczenie świeżych i zastarzałych złamań Usztywnianie stawów TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Zastosowanie: Leczenie świeżych i zastarzałych złamań Usztywnianie stawów Zespalanie operacyjnie przeciętych kości

Hedri 1931 leczenie złamań i stawów rzekomych klejem „Ossocol” TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Pierwsze próby: Hedri 1931 leczenie złamań i stawów rzekomych klejem „Ossocol”

Pierwsze próby Golowin (ZSRR) 1956 TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Żywice epoksydowe Pierwsze próby Golowin (ZSRR) 1956 Osteoplast – zywica epoksydowa+mąka kostna+ proszek fibrynowy Brak infekcji Dobra biotolerancja Trudności z rozkładaniem się w organizmie nowa tkanka nie przerastała żywicy

Pierwsze próby Hulliger 1962 TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Żywice metakrylowe Pierwsze próby Hulliger 1962 Palacos – szybko twardniejące tworzywo termoplastyczne Brak infekcji Dobra spójność z tkanką kostną Przy mieszaniu składników reakcja egzotermiczna 96 C / w celu obniżenia konieczne było skrapianie zimnym roztworem soli fizjologicznych/ O

Dobre własności mechaniczne Dobra spójność z tkanką kostną TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe Obecnie stosowane Dwuskładnikowe polimer (proszek) + monomer (składnik ciekły) Dobre własności mechaniczne Dobra spójność z tkanką kostną Dobra biotolerancja

zła reakcja tkanek na ciepło uwalniane w trakcie polimeryzacji TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe Obecnie stosowane Dwuskładnikowe polimer (proszek) + monomer (składnik ciekły) zła reakcja tkanek na ciepło uwalniane w trakcie polimeryzacji zatrucie organizmu monomerem nagłe obniżenia ciśnienia tętniczego krwi podczas wstrzykiwania cementu

Cementy Akrylowe firmy Codman and Shurtleff TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały: Cementy Akrylowe firmy Codman and Shurtleff

Cementy Akrylowe firmy Howmedica International TWORZYWA SZTUCZNE KLEJENIE KOŚCI Materiały:                                                                                                                      Cementy Akrylowe firmy Howmedica International

PROTEZOWANIE ŚCIĘGIEN I MIĘŚNI TWORZYWA SZTUCZNE PROTEZOWANIE ŚCIĘGIEN I MIĘŚNI Po zszyciu ścięgna powstają czasem powikłania w postaci zrostu z tkankami otaczającymi. Celem zapobiegnięcia stosuje się: płytki przeciwzrostowe: - celofanowe - akrylowe - teflonowe - z włókien poliestrowych

MATERIAŁY W BIOMECHANICE BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY

Wysoka porowatość (łatwe wrastanie tkanek) MATERIAŁY CERAMICZNE Własności: Wysoka porowatość (łatwe wrastanie tkanek) Gęstość i współczynnik jak dla kości Odporne na ściskanie Odporne na korozję Kruchość

RESORBOWANE W ORGANIŹMIE Z KONROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIŹMIE MATERIAŁY CERAMICZNE MATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE Z KONROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIŹMIE OBOJĘTNE

RESORBOWANE W ORGANIŹMIE MATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE • Ortofosforany wapnia, hydroksyapatyty Zastosowanie: Dzięki zawartości pierwiastków przechodzących do struktur tkankowych służą jako rusztowanie lub wypełniacz rekonstruującej się tkanki kostnej

RESORBOWANE W ORGANIŹMIE MATERIAŁY CERAMICZNE RESORBOWANE W ORGANIŹMIE • Ortofosforany wapnia, hydroksyapatyty Brak konieczności stosowania operacji usuwania materiału zespalającego po uzyskaniu zrostu kostnego Niewielkie koszty wytworzenia W procesie resorpcji zmienia się skład chemiczny ceramiki co wiąże się z obniżeniem jej wytrzymałości

Z KONTROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIZMIE MATERIAŁY CERAMICZNE Z KONTROLOWANĄ REAKTYWNOŚCIĄ W ORGANIZMIE Ich skład chemiczny i fazowy jest tak projektowany aby powierzchnia implantu reagując ze środowiskiem tkankowym wytworzyła reakcje w w wyniku których powstaną połączenia substancji organicznych z nieorganicznymi • bioszkła i materiały bioszklano-ceramiczne

• tlenek glinu Al2O3, węgle pirolityczne MATERIAŁY CERAMICZNE OBOJĘTNE • tlenek glinu Al2O3, węgle pirolityczne Elementy endoprotez Ortodoncja Zastosowanie:

Wykazują minimalne zmiany chemiczne w MATERIAŁY CERAMICZNE OBOJĘTNE Wykazują minimalne zmiany chemiczne w kontakcie z tkankami i roztworami fizologicznymi Wysoka biotolerancja Wysoka wytrzymałość: ściskanie, zginanie • tlenek glinu Al2O3, węgle pirolityczne Własności:

MATERIAŁY W BIOMECHANICE BIOMATERIAŁY MATERIAŁY W BIOMECHANICE METALICZNE CERAMICZNE TWORZYWA SZTUCZNE KOMPOZYTY

KOMPOZYTY BIOMATERIAŁÓW Kompozyty na osnowie ceramicznej aaze zbrojeniami metalicznymi np. Bioglass Dzięki połączeniu własności różnych materiałów uzyskuje się polepszenie: wytrzymałości biotolerancji, niezawodności połączenia z kością

KOMPOZYTY BIOMATERIAŁÓW NOWOCZESNA ENDOPROTEZA Porowata ceramika Rdzeń metaliczny Gładka ceramika lub plastik

NOWOŚCI ORAZ KIERUNKI BADAŃ poli(akrylonitryl) – polimer kurczliwy (sztuczne mięśnie) poli(glicerolo-sebacynian) – biorozkładalny polimer z pamięcią kształtu (zespalanie kości) badania mikrotrybologiczne nad współpracą między powierzchniami różnych materiałów

BIBLIOGRAFIA   R. Będziński Biomechanika inżynierska Zagadnienia wybrane, OWPWroc. Wrocław 1997 J. Marciniak Biomateriały, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002   Biomateriały, tom 4 Maciej Nałęcz, WKiŁ 1990 Warszawa http://www.codmanjnj.com/PDFs/neurodisp.pdf http://www.biomat.krakow.pl/katedra/dydakt_ib.html http://riad.usk.pk.edu.pl/~naszapol/archiwum/NR33/TEXT/25_27.htm A. Białas Medycyna Praktyczna, nr 6 (100) VI 1999 – Horyzonty medycyny http://www.akces-med.com/o_sl.html

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Wojciech Pręgowski