MATERIAŁY

BIOCERAMICZNE

• Wada biomateriałów metalowych: własności

fizykochemiczne w nie w pełni dostosowane do

współpracy ze środowiskiem piezoelektryków i

przewodników organicznych

• Możliwość poprawy: wytworzenie na powierzchni

metali powłok bioceramicznych lub kompozytów

z udziałem bioceramiki

Historia

• XIX w.: fosforan sodu do regeneracji kości

• 1892: CaSO4

• Do 1971: porowaty Al2O3 nasączony

żywicą epoksydową

• Wyroby z mieszanin CaO-Al2O3, CaO-

TiO2, CaO-ZrO2

• Czysty Al2O3 (endoprotezy 1972)

• Od 1976: endoproteza biodrowa Hueffkop-

Prothese oraz całkowita endoproteza

biodrowa Huffegelenkopfe-Total-Prothese z

elementami bioceramicznymi

• Obecnie: różne typoszeregi endoprotez

stawowych z elementami ceramicznymi

• Badania: tribologia i biotolerancja

• 1972: nowy materiał szkło 2,6% P2O5

• Ceramika szklista

• Powłoki kompozytowe na osnowie szkła i ceramiki powierzchniowo-aktywnej o kontrolowanej resorpcji w organizmie

• Powłoki szkliste z węglem

• Powłoki silikonowe

• Powłoki z uwodnionym apatytem o strukturze krystalicznej i amorficznej

Charakterystyka materiałów

bioceramicznych

• Niektóre własności odmienne niż metale:

• porowatość umożliwiająca wrastanie tkanek

• większa wytrzymałość na ściskanie i

odporność na ścieranie

• większa odporność na korozję w

środowisku płynów i tkanek ustrojowych

• większa biotolerancja

• Materiały twarde i kruche: współczynnik

intensywności naprężeń na kruche pękanie

KIC jako wyznacznik

• Inne ważne wielkości: skład chemiczny i

fazowy, gęstość, twardość, wytrzymałość na

ściskanie i zginanie, moduł sprężystości,

odporność na ścieranie i korozję

Wady

• Tworzywa kruche o małej wytrzymałości na zginanie

• Nieodporne na obciążenia dynamiczne, nie wykazują odkształcalności

• Minimalizują, ale nie eliminują całkowicie zużywania się

• Dobra biotolerancja i możliwość wrastania tkanki

• Ceramika porowata: protezy żuchwowe,

segmenty sztucznej kości, trwale

zamocowane sztuczne kończyny: do porów

o regulowanej wielkości wrastają

unaczynione tkanki miękkie oraz kapilary z

osteocytami – nowa zregenerowana kość

• Ceramika bezporowata: elementy endoprotez

stawowych, w szczególności na główki osadzone

na trzpieniu; najlepsza konstrukcja – trzpień ze

stopu tytanu wprowadzony do kości udowej,

pokryty warstwą porowatą zrastającą się z tkanką

kości udowej. Trzpień zakończony głową z

bezporowatej ceramiki, która współpracuje

obrotowo z panewką bezporowatą luz

polietylenową

• Najlepsze: kompozyty

• Korelacja między wielkością porów i wrastaniem tkanki kostnej: optymalne wrastanie przy wielkości porów 100-150 m, maksymalnie szybkie 500-1000

• Podział:

• materiały bioceramiczne resorbowane w organizmie

• materiały z kontrolowana reaktywnością powierzchniową

• biomateriały obojętne

Biomateriały ceramiczne

resorbowane w tkankach

• Przede wszystkim kompozyty zawierające ortofosforany wapnia, w tym ceramika hydroksyapatytowa, biologicznie aktywna o największej biotolerancji

• 6 podstawowych soli kwasu ortofosforowego. Najbardziej interesujące: HAP i TCP

• Wytwarzanie: metody mokre (wytrącanie), suche (reakcje w stanie stałym), hydrotermalne (z udziałem pary wodnej), topnikowe (w obecności topnika), zol-żel (w roztworach alkoholowych i wodnych)

• Warstwy hydroksyapatytowe nanoszone także na powierzchnie implantów długotrwałych z biomateriałów metalicznych

• Napylanie plazmowe: proszek podgrzany palnikiem plazmowym do 20000-30000 K przy szybkości strumienia plazmy 1000 km/h

• Powłoka dwuwarstwowa: amorfizna zewnętrzna i krystaliczna wewnętrzna, 50-200 m

• Inne techniki: elektroforeza, techniki CVD i PVD, rozkład termiczny, rozpylanie jonowe, osadzanie elektrochemiczne, zanurzanie i spiekanie

Powierzchnia warstwy

napylonego

hydroksyapatytu

porowata, o ziarnach

zróżnicowanej wielkości

Zastosowanie bioceramiki

hydroksyapatytowej z praktyce medycznej

• Postać proszkowa: leczenie ubytków miazgi zębowej, zębiny w okolicach obnażonych szyjek zębowych, speforowanych kanałów korzeniowych

• Granule hydroksyapatytowe: leczenie ubytków kostnych przyzębia, wypełnianie pooperacyjnych ubytków kostnych w szczęce i żuchwie

• Kształtki porowate: wypełnienia poekstrakcyjne zębodołów

• Kształtki zagęszczone: implanty kostne dna oczodołu

Biomateriały ceramiczne z kontrolowaną

reaktywnością w tkankach

• Skład tak projektowany, aby powierzchnia

implantu, reagując ze środowiskiem

tkankowym oraz płynami ustrojowymi,

wytworzyła w wyniku reakcji chemicznych

właściwe połączenia substancji

nieorganicznych i organicznych

Historia

• USA 1971-75:

• bioszkła 2,6% P2O5 reagując z kością,

tworząc hydroksyapatyt i żel krzemu

• bioszkła z porowatością powierzchniową

• pokrycia bioszklane na tlenkach glinu i stali

kwasoodornej

• kompozyty złożone z bioszkieł i tlenku

glinu, polimerów i włókien syntetycznych

Reakcje bioszkieł

• Dyfuzja jonów sodowych z bioszkła i reakcja z jonami wodorowymi z tworzeniem powłoki powierzchniowej

• Uaktywnienie powierzchni z tworzeniem mikroporów

• Utworzenie powłoki bogatej w wapień i fosfor

• Wzrost powłoki powierzchniowej zawierającej fosforan wapnia jako skutek dyfuzji jonów wapnia i fosforu z roztworu

• Krystalizacja powierzchniowa i utworzenie struktur typu apatytu w środowisku lekko alkalicznym

Wytrzymałość szkieł na zginanie wynosi 50-100 MPa,

niewystarczająca, elementy z bioszkieł głównie do

wytwarzania protez wewnętrznych do regeneracji kości oraz

do powlekania protez metalowych

Bioszkła komercyjne• Bioglass: może łączyć się z miękką tkanką, mała

wytrzymałość mechaniczna

• Szkła ceramiczne apatytowo-wolastonitowe (wolastenit CaSiO3)

• Ceravital: Na2O-CaO-SiO2-P2O5-MgO

• Cerabone: bezalkaliczne z dodatkiem CaF2, wytrzymałość na zginanie 215 MPa, struktura fluoroapatytu i wolastonitu w matrycy szklanej, poprzez spiekanie proszku

• Bioglass zbrojony włóknem szklanym

• Szkła z udziałem TiO2 i ZrO2 przenoszące większe obciążenia

• Porowate materiały bioaktywne otrzymywane przez spiekanie proszków: apatytowo-berlinitowe

• Kleje ceramiczne na bazie szkieł CaO-SiO2

z roztworem fosforanu amonowego do klejenia kości lub mocowania implantu do kości

• Bioszkła stomatologiczne: glinokrzemiany magnezowe, krzemiany i fosforany cyrkonu, krzemiany litu, szkła jonomerowe światłoutwardzalne

Biomateriały ceramiczne

obojętne

• Wykazują minimalne zmiany chemiczne w

kontakcie z tkankami i roztworami

fizjologicznymi

• Reakcja tkanek: wytworzenie bardzo delikatnej,

kilkumikronowej włóknistej tkanki otaczającej

wszczep

• Umiejscowienie w środowisku tkankowym

sposobem mechanicznym: perforacja w szczepie,

nici, cement

• Typowe: Al2O3 (biokorund) i węgle pirolityczne

• Właściwości biokorundu: zawartość Al2O3 min.

95,5%, gęstość min. 3,9 g/cm3, średnia wielkość

ziaren < 7 m, mikrotwardość 2300 HV,

wytrzymałość na ściskanie 4000 MPa,

wytrzymałość na zginanie min. 400 MPa,

odpowiedni moduł Younga, odporność na

ścieranie, odporność korozyjna

• Bioceramika obojętna stosowana w postaci

wyrobów o gładkiej (elementy endoprotez

pracujących suwliwie) lub porowatej (na

powierzchnie, w które będzie wrastać

tkanka kostna) powierzchni

• Problem: starzenie

• Wrastanie tkanek uzależnione od wielkości

porów: optymalna wielkość porów 50-250

m, a głębokość wrastania do 1000 m

Biomateriały kompozytowe z

udziałem bioceramiki

Biomateriały metaliczne z

bioceramiką dla stomatologii