Bioceramics Properties, Characterizations, and Applications Park, Joon 2008, XII, 364 p. Překlad duben 2011 Hana Coufalová Přeloženo kapitola 5 – podčást 5.1.(83-89) podčást 5.4.(109-112)
5 TVRDÉ TKÁNĚ: STRUKTURA, VLASTNOSTI, HOJENÍ, PŘEMĚNA, A BIOKOMPATIBILITA
Stupňovitá struktura kompaktní kosti. Upraveno s povolením od [21]. Copyright © 1993, Americká asociace pro rozvoj vědy.
V této kapitole si prostudujeme vztah mezi strukturou a vlastnostmi tvrdých tkání, protože keramiky a skla jsou hlavně používány pro náhrady nebo rozšíření tvrdé tkáně. Navíc, tvrdé tkáně obsahují minerální fázi, která je podobná hydroxyapatitu z keramiky (tabulka 5.1). Prostudujeme si základní uspořádání a makrostrukturu vzhledem k jejich vlastnostem. Strukturálně se biologické tkáně skládají z obrovské sítě propletených vláken se základní hmotou, složené převážně z polysacharidů a ponořené v lázni iontové tekutiny. Dále jsou na vlákna napojeny buňky, jejichž funkce je výživa a regenerace živých tkání (vláken a základní hmoty). Základní hmota má určité strukturní uspořádání a není kompletně rozpuštěna podobně, jako bývají jiné látky v roztoku. Fyzikálně se základní hmota chová jak lepidlo, mazadlo, a tlumič nárazů v různých tkáních. Tabulka 5.1. Rozdělení různých tkání a fyziologické podmínky západního muže Sval 43%, kost 30%, kůže 7%, krev 7.2% Orgány: slezina (0.2%), srdce (0.4%), ledviny (0.5%), plíce (1.0%), játra (2%), mozek (2.3%), střeva (5.6%) Voda 60%, hmota v tuhé fázi 40% Průměrná tělesná hmotnost: 70 kg (155 liber) Střední výška: 1,8 m (5,91 stopy) Základní rychlost metabolizmu 68 kcal/hr pH: žaludeční obsah (1,0), moč (4,5–6,0), intracelulární tekutina (6,8), krev (7,15–7,35) PO2 (mm Hg): intersticiální (2–40), žilní (40), tepenný (100), atmosférický (160) PCO2 (mm Hg): alveolární (40) Reprodukováno s povolením z [1]. Copyright © 1981, Marcel Dekker.
Struktura a vlastnosti daného biologického materiálu závisejí na chemické a fyzické povaze jeho složek, jejich relativním množství, a interakce mezi nimi. Například nervové tkáně se skládají téměř jen z buněk, zatímco kost je složená z kolagenových vláken a minerálních látek (fosforečnan vápenatý), s nepatrným množstvím buněk a základní hmoty jako lepidlo. Pochopení přesné role tkáně a její vztah k funkci celého žijícího organismu je základní věc, pokud chceme inteligentně použít biokompatibilní materiál. Takže k navržení protézy kyčelního kloubu je potřeba porozumět nejen vztahu mezi sousedícími kostmi ale také relativní funkci protézy a kosti. Tato kapitola je založena částečně na kapitole 9 z [26]. Vynikající shrnutí na toto téma můžete nalézt v [22].
5.1. Struktura proteinů Organická fáze tvrdých tkání je většinou zhotovená z kolagenu, jedné formy proteinu. Polysacharidy fungují jako stmelující prostředek mezi osteony.
5.1.1. Proteiny Podobně jako polymerické materiály, jsou proteiny zhotoveny z monomerů zvaných aminokyseliny:
( 5.1 ) Peptidy jsou polyamidy utvořené přírůstkovou- reakční polymerací mezi aminem a karboxylovou skupinou aminokyseliny, jehož základní chemický vzorce může být reprezentován jako
( 5.2 ) kde R je vedlejší skupina. Vodík je nejmenší vedlejší skupina, příměs, která vytváří glycin. Geometrie peptidu s hypotetickou strukturou plochého listu je ukázaná v obrázku 5.1a. struktura má opakovací vzdálenost 0,72 nm,
Obrázek 5.1. (a) Předpokládaná plochá struktura proteinu- list. (b) spirálovité uspořádání proteinového řetězce
Tabulka 5.2. Aminokyseliny
tak, že postranní skupiny (R) jsou natěsnané. Toto zhušťování dělá dále plochou strukturu nemožnou, s výjimkou H postranních skupin (tj., polyglycine). Pokud jsou postranní skupiny větší, výsledná struktura je α-helix, kde se vodíkové můstky vyskytují mezi různými částmi stejného řetězce a drží spirálu pohromadě, jak je vidět v obrázku 5.1b. Tabulka 5.2 uvádí přirozeně se vyskytující aminokyseliny.
5.1.1a. Kolagen Jedna ze základních složek proteinu je kolagen, který má obecné pořadí aminokyselin – Gly–Pro–Hyp–Gly–X– (X = nějaká aminokyselina) uspořádané v trojité α-šroubovici.Má vysoký podíl prolinu a hydroxyprolinu, jak je uvedeno v tabulce 5.3. Vzhledem k tomu, že přítomnost hydroxyprolinu je jedinečná pro kolagen, určení obsahu kolagenu v daném tkáni se provádí zkouškou na přítomnost hydroxyprolinu (elastin je v nepatrném množství). Tabulka 5.3. Obsah aminokyselin v kolagenu Aminokyseliny Gly Pro Hvp Kyselé polární amino - kyseliny (Asp, Glu, Asp) Zásadité polární amino – kyseliny (Lys, Arg, His) Další aminokyseliny
obsah (mol/l00 mol aminokyseliny) 31,4–33.8 11.7–13.8 9.4–10.2 11.5–12.5 8.5–8.9 zbytek
Reprodukovaný s povolením z [4]. Copyright © 1967, Butterworths.
Tři levotočivé, spirálovité peptidové řetězce jsou svinuté společně s pravotočivou svinutou spirálu s periodicitou 2,86 nm. Tento trojitý superhelix je molekulový základ tropo(pro)kolagenu. Tři řetězce jsou drženy pohromadě H vazbami mezi glycinovými zbytky a mezi hydroxylovou (OH) skupinou z hydroxyprolinu. Navíc jsou tam vazby přes lysin mezi spirálami (viz obrázek 5.2). Primární faktory stabilizující molekuly kolagenu jsou vždy spojené s interakcí mezi α šroubovicemi. Tyto faktory zahrnují H vazby mezi C=O a NH skupiny, iontové vazby mezi postranními skupinami polárních aminokyselin, a meziřetězové můstky. Jeden ze sekundárních faktorů ovlivňujících stabilitu kolagenu je prostorová tuhost, která souvisí s vysokým obsahem pyrolidinu.
Kolagenové vlákénko (průměr 20~40 nm) tvoří vláknové svazky v průměru 0.2~1.2 μm. Obrázek 5.3 ukazuje ze SEM a TEM snímky kolagenových vláken v kosti, šlaše, a kůži. Všimněte si přímosti kolagenových vláken ve šlaše, ve srovnání s vlákny v pleti.
. Obrázek 5.2. (A) schéma zobrazující tvorbu kolagenu, které si zde zobrazíme v sedmi krocích. Výchozí materiál (a) jsou aminokyseliny, kdy dvě jsou ukázány celé a u aminokyseliny označené X jsou postranní řetězce označeny jako R. (b) aminokyseliny jsou spojeny a společně utvářejí molekulový řetězec. (c) ten se pak vine do levotočivé spirály (d, e). Tři takové řetězce se pak splétají v trojitě - stočenou spirálu, která představuje molekulu tropokolagenu (f). Více tropokolageních molekul se dále uspořádají do střídavě rozloženého tvaru, kdy se překrývají o čtvrtinu své délky a tvoří příčně pruhované kolagenní vlákno (g) [reprodukovaný s povolením z [13]. Copyright © 1961, Scientific American.]. (B) schéma ukazuje, že "retikulární vlákna" připojená k bazální membráně epiteliální buňky (horní obr.) a "kolagenní vlákna" pojivová tkáně obecně (dolní obr.) jsou obojí složená z jednotlivých vláken z kolagenu. Retikulární jsou poněkud menší a utvářejí volnější sítě namísto větších svazků. [reprodukovaný s povolením z [2]. Copyright © 1968, Saunders.] Podívejte se také na ilustraci v rámečku na začátku této kapitoly pro hierarchickou strukturu kosti.
Postranní skupiny aminokyselin jsou vysoce nepolární a z tohoto důvodu odpuzují vodu; proto se řetězce vyhýbají kontaktu s vodními molekulami a hledají největší množství kontaktů s nepolárními řetězci aminokyselin. Jestli zničíme voduodpuzující kontakt prostřednictvím roztoku (např. močovina), charakteristická struktura se ztratí, mající za následek takové mikroskopické
změny jako srážení kolagenových vláken. Stejného účinku můžeme dosáhnout prostým ohřátím kolagenových vláken. Další faktor ovlivnění stability kolagenu je začlenění vodních molekul dovnitř a mezi struktury řetězce. Jestliže je obsah vody snížen, strukturální stabilita se snižuje. Jestli je dehydratován úplně (lyofilizace), snižuje se také rozpustnost (takzvané in vitro stárnutí kolagenu). Je známo, že kyselina mukopolysacharidová může také ovlivnit stabilitu kolagenových vláken na základě vzájemné interakce, která tvoří mukopolysacharido–proteinové komplexy. Věří se, že vodní molekuly ovlivňují polární oblasti řetězců, což sušený kolagen víc dezorientuje než v mokrém státu.
Obrázek 5.3. (A) SEM kostní matice dospělého králíka, zobrazující jak kolagenová vlákna tvoří větve a spojují se vzájemně do složitého tkáňového vzoru (4800x). Reprodukováno s povolením z [29]. Copyright © 1980, Lippincott. (B) TEM z (a) srovnaná kolagenní vlákna ve šlaše a (b) síť vláken v kůži (24,000x). Reprodukovaný s povolením z [12]. Copyright © 1981, Springer- Verlag.
5.1.1b. Elastin Elastin je další strukturální protein, který se nachází v poměrně velkém množství v pružných tkáních jako je vaz, aortální stěna, a kůže. Nebudeme podrobněji hovořit k této věci, tvrdé tkáně neobsahují elastin ve významnějším množství.
5.1.2. Polysacharidy
Polysacharidy existují v tkáních jako vysoce viskózní materiál, který snadno reaguje s proteiny, včetně kolagenu, což má za následek mukopolysacharidové-proteinové komplexy nazývané jako glykosaminoglykany nebo proteoglykany. Tyto molekuly snadno vážou vodu a kladné ionty. Existují také ve fyziologických koncentracích, ne jako viskózní pevné látky ale jako viskósoelastický gel. Všechny tyto polysacharidy se skládají z disacharidové jednotky polymerované do nerozvětvených makromolekul. Jeden z polysacharidů byl nalezený v synoviální tekutině, která funguje jako mazadlo mezi povrchy kloubů. Nějaké polysacharidy působí jako lepidlo nebo tmel mezi lamelami kolagenu a minerály v osteonech.
Další kapitola 109 – 115
5.4. Biokompatibilita V této části si popovídáme o biokompatibilitě keramik a skel. Nicméně, některé jsou užívány jako kardiovaskulární zařízení podobně jako uhlíková srdeční chlopeň, a v tomto případě musíme zahrnout krevní kompatibilitu. Biokompatibilita je interakce materiálů a tkání v živém organismu. Tělesné prostředí má velký účinek na povrch, mechanické a chemické vlastnosti materiálu, imunologické, kancerogenní a alergenní reakce tkáně. Tabulka 5.9 nabízí široké instrukce
pro
určení
biokompatibility.
Obrázek
5.26
dává
schematickou
ilustraci
biokompatibility.
Obrázek 5.25. Celkový pohled na metabolizmus vzájemných vztahů uvnitř mozolu. Reprodukovaný s povolením z [19]. Copyright © 1975, Lippincott Williams & Wilkins.
Obrázek 5.26. Schematická ilustrace biokompatibility. Upravený s povolením z [16]. Copyright © 1998, Wiley. Tabulka 5.9. Stanovené směrnice biokompatibilita A. Data požadovaná pro zhodnocení vhodnosti 1. Materiálová charakteristika. Identifikujte chemickou strukturu materiálu a případná potenciální toxikologická rizika. Zbytkové stupně. Degradace produktu. Kumulativní efekty každého procesu. 2. Informace o předchozím použití. Zdokumentovaný test dřívějšího použití, který by ukazoval přiměřenost materiálu. 3. Toxikologická data. Výsledky z biologických testů by pomohly při hodnocení potenciálních reakcích (nepříznivých nebo jiných) během klinického použití. B. Podklady 1. Detaily aplikace: model, velikost, atd. 2. Chemické selhání všech materiálů obsažených v produktu. 3. Recenze všech údajů o toxicitě na materiálech, které jsou v přímém kontaktu s tělesnými tkáněmi. 4. Dřívější použití a detaily účinků.
5. Testy toxicity [FDA nebo ISO (organizace mezinárodních standardů) směrnice] 6. Finální stanovení všech informací, včetně toxikologického významu. FDA internetová adresa: http://www.fda.gov/cdrh/index.html . CDRH (středisko pro zařízení a radiologické zdraví) FDA vede lékařská zařízení. Přizpůsobeno s povolením z [16]. Copyright © 1998, Wiley. PROBLEMATIKA 5.1. Vypočítejte x v Eq. (5.9) pro kost s Youngovými modely pružnosti 17 GPa se zadáním Vm ==Vc , Em =100 GPa, Ec =0.1 GPa . 5.2. Jestliže kost má pórovitost 18.9%, jaký je jeho modul pružnosti, jestliže modely bez pórů jsou stejné jako hydroxyapatit? 5.3. Viskoelastické vlastnosti vrchní vrstvy kostí byla popisované použitím tří- prvkového modelu ukázaného v obrázku 5- 16. a. Odvoďte diferenciální rovnice pro model. Předpokládaný skok a tlumič napodobuje ideální pružné a viskózní chování. b. Řešte diferenciální rovnici pro tlak (σ) pro relaxované chování modelu. c. Jaké jsou nedostatky modelu? Srovnejte s reakcí kosti v živém organismu a model. 5.4. Odhadněte sílu vrchní vrstvy kosti použitím Griffithovy teorie zlomeniny. Srovnejte se známými hodnotami. 5.5. Oblast Et versus Vm použítím Voigt a Reuss modelů a zadáno je Em//Ec = 100. V Vm = 50%, jaké jsou hodnoty modelu podle Voigt a Reuss ? 5.6. Existuje mnoho"kostních náhrad" na trhu. Vyjmenujte ideální kostní náhradu a navrhněte vaši vlastní. Podívejte se na kapitolu 9 pro další četbu ohledně této věci. 5.7. Kost je podobná měkké tkáni, jako je kůže, protože organická část kosti má podobné složky (například., kolagen a polysacharid). Bylo by výhodný použít demineralizovanou kost jako náhradu měkké tkáně? Popište váš logický výklad a metody. 5.8. Navrhněte experiment prokazující nebo vyvracející účinek BMP na hojení kostní zlomeniny. 5.9. Alternativní lék jako je akupunktura, může být efektivní v léčení nějakých nemocí. Můžou se používat jehly pokryté keramikou nebo sklem? Jak byste mohli prokázat jeho účinnost? 5.10. Přečtěte si Hohling HJ, Barckhaus RH, Krefting ER, Althoff J, Quint P. 1990. Kolagen mineralizace: aspekty strukturálního vztahu mezi kolagenem a krystaly apatitu. V Ultrastrukturách kostních tkání: kost a chrupavka ve zdraví a nemoci, stránky 41–62. Ed E Bonucci, PM Morra. Boston: Kluwer Academic Publisher. 5.11. Přečtěte si kapitoly 9 a 10 v Park JB, Lakes RS. 2007. Biomaterials: úvod, 3. . New York: Springer.
SYMBOLY/DEFINICE Řecká písmena ε: napětí. ρ: hustota. σ: tlak.
Římská písmena A: plocha. E: Youngův model, měření tuhosti. P: zatížení (síla) nebo tlak (síla na plochu). V: objem (podíl). w/o: hmotnostní procent.
Definice Canaliculi: Malé kanály (~0.3 mm v průměru) vyčnívající z mezer v kostní tkáni. Cement: Kalcifikovaná tkáň středního zárodečného listu, která kryje kořen zubu. Korunka: Korunka- zformovaná struktura, zejména odkrytá nebo sklovinou- krytá část zubu. Ta je z větší části (97%) zhotovena z hydroxyapatitu. Umělé náhrada účinného povrchu nebo horní části zubu je také zvané korunka. Dentin: Hlavní substance zubu, tvořící tělo, krček, a kořeny, krytý sklovinou na vystavené části zubu a cementem v kořenu. Má podobné složení a vlastnosti (ale ne strukturu) jako vrchní vrstva kosti. Elastin: Je to jeden z proteinů v pojivové tkáni. Je vysoce stabilní ve vysokých teplotách a v chemikáliích. Má také gumovité vlastnosti, z toho důvodu je jeho přezdívka "tkáňová guma." Fibroblastový růstový faktor (FGF): Základní FGF (bFGF) je chemoattraktant a mitogen pro zralé buňky chrupavky a je klíčový regulátor v terminálovém odlišení růstových deskových zralých buněk chrupavek. Kyselina glutamová (Glu): Jedna z nepostradatelných aminokyselin, vyskytují se mnohem více obvykle v kolagenu než v elastinu. Glycin (Gly): Jedna z aminokyselin mající nejjednodušší strukturu. Haversianův systém: To samé jako osteon. Hydroxyapatit: Minerální komponenta kosti a zubů. Je to typ fosforečnanu vápenatého, s kompozicí Ca10 (PO4)6(OH)2. Hydroxyprolin (Hypro): Jedna z aminokyselin obvykle se vyskytují v molekulách kolagenu.
Inzulín jako růstový faktor (IGF): Buněčný mitogen, který podporuje syntézu matrice chrupavky. Lakuna: Pór (~10 × 15 × 25 μm) v Haversových kanalcích kosti; mezery často obsahují osteofyty (kostní buňky). Příměsové pravidlo: Vlastnosti materiálu vytvořeného z mnoha materiálů jsou závislé na lineárním relativním množství každého materiálu. Osteony: Velké vlákno- jako struktura (150~250 μm v průměru) ve vrchní vrstvě kostí. Soustředné vrstvy nebo lupínky obklopují centrální kanál nebo Haversův kanál, který obsahuje malou cévu. Každý lupínek obsahuje menší vlákna. Osteony, také nazvané Haversovy systémy, jsou odděleny cementovými řádkami. Piezoelektřina: Elektrická polarizace vyplývající z namáhání materiálu; obráceně, deformace vyplývající ze zatížení vnějším elektrickým polem. Vytvořený destičkami růstový faktor (PDGF): Uvolňuje z krevních destiček a granulí silný mitogen, zvláště pro fibroblasty. Spojený se zvýšením kolagenu typu I a modulace místního krevního toku, PDGF má významnou pozitivní roli v hojení ran. Polysacharidy: Polymerované sacharidové molekuly se nacházejí v tkáních jak mazadlo (synoviální tekutina), cement (mezi osteony, zubní kořenové připojení), nebo komplex s proteiny (např. glykoproteiny, mukopolysacharidy). Dřeň: Bohatě vaskularizovaná a inervovaná pojivová tkáň uvnitř zubu. Prolin (Pro): Jedna z aminokyselin obvykle se vyskytující v molekulách kolagenu. Reuss model: Modelování vlastností materiálu přijímání obrácené objemové frakce každé komponenty. Tropokolagen: Předchůdce kolagenu. Mějme pravotočivou superhelix stočenou strukturu, která je vytvořená stočením tří levo-spirálovitých peptidových řetězců. Volkmannový kanál: Cévní kanály ve vrchní vrstvě kostí, které nejsou obklopené koncentrickými lupínky, jako jsou Haversovy kanály. Voigt model: Modelování vlastnosti materiálu přijímání aditivní objemové frakce každé komponenty.
REFERENCE
1.
Black J. 1981. Biological performance of materials: fundamentals of biocompatibility. New York: Marcel Dekker.
2.
Bloom W, Fawcett DW. 1968. A Textbook of Histology, 9th ed. Philadelphia: Saunders.
3.
Brighton C, Friedenberg Z, Black J. 1979. Evaluation of the use of constant direct current in treatment of nonunion. In Electrical properties of bone and cartilage, pp. 519–545, Ed C Brighton, J Black, S Pollack. New York: Grune & Stratton.
4.
Chvapil M. 1967. Physiology of connective tissue. London: Butterworths.
5.
Cowin S. 1981. Mechanical properties of bone. New York: ASME.
6.
Currey JD. 1981. What is bone for? property–function relationships in bone. In Mechanical properties of bone, pp. 13–26. Ed SC Cowin. New York: ASME.
7.
Dempster WT, Coleman RF. 1961. Tensile strength of bone along and across the grain. J Appl Physiol 16:355.
8.
Dempster WT, Liddicoat RT. 1952. Compact bone as a nonisotropic material. Am J Anat 91:331–362.
9.
Eriksson C. 1974. Streaming potentials and other water-dependent effects in mineralized tissue. Ann NY Acad Sci 238:321–338.
10. Evans FG, Lebow M. 1952. The strength of human compact bone as revealed by engineering technics. Am J Surg 83:326–331. 11. Friedenberg Z, Brighton C. 1966. Bioelectric potential in bone. J Bone Joint Surg 48A:915– 923. 12. Fung YC. 1981. Biomechanics: mechanical properties of living tissues. Berlin: SpringerVerlag. 13. Gross J. 1961. Collagen. Sci Am 204:121–130. 14. Ham A, Harris W. 1971. Repair and transplantation of bone. In The biochemistry and physiology of bone, pp. 337–399. Ed G Bourne. New York: Academic Press. 15. Hench L, Ethridge E. 1975. Biomaterials: the interfacial problem. Adv Biomed Eng 5:35– 150. 16. Hill D. 1998. Design engineering of biomaterials for medical devices. New York: Wiley. 17. Hohling H, Ashton B, Koster H. 1974. Quantitative electron microscope investigation of mineral nucleation in collagen. Cell Tissue Res 148:11–26.
18. Hollinger JO, Buck DC, Bruder SP. 1999. Biology of bone healing: its impact on clinical therapy. In Tissue engineering: applications in maxillofacial surgery and periodontics, pp. 17–53. Ed SF Lynch, RJ Genco, RE Marx. Chicago: Quintessence. 19. Ketenjian A, Arsenis C. 1975. Morphological and biochemical studies during differentiation and calcification of fracture callus cartilage. Clin Orthop Relat Res 107:266–273. 20. King BG, Showers MJ. 1963. Human anatomy and physiology. Philadelphia: Saunders. 21. Lakes RS. 1993. Materials with structural hierarchy. Nature 361:511–515. 22. Lakes RS. 2006. Properties of bone and teeth. In Encyclopedia of medical devices and instrumentation, pp. 523–540. Ed JG Webster. Hoboken, NJ: Wiley. 23. Liboff AB. 2006. Electrical treatment of bone-united fracture and spinal fusion. In Encyclopedia of medical devices and instrumentation, pp. 558–571. Ed JG Webster. Hoboken, NJ: Wiley. 24. McElhaney J. 1966. Dynamic response of bone and muscle tissue. J Appl Physiol 21:1231– 1236. 25. Park JB. 1984. Biomaterials science and engineering. New York: Plenum. 26. Park JB, Lakes RS. 2007. Biomaterials: an introduction, 3rd ed. New York: Springer. 27. Piekarski K. 1978. Structure, properties and rheology of bone. In Orthopaedic mechanics: procedures and devices. Ed D Ghista, R Roaf. New York: Academic Press. 28. Starkebaum W, Pollack S, Korostoff E. 1979. Microelectric studies of stress-generated potential in four-point bending of bone. J Biomed Mater Res 3:729–751. 29. Triffit JT. 1980. The organic matrix of bone tissue. In Fundamental and clinical bone physiology, pp. 45–82. Ed MR Urist. Philadelphia: Lippincott. 30. Wolff J. 1892. Das Gesetz der Transformation der Krochen. Berlin: Hirchwild. 31. Woo S-Y, Akeson W, Coutts R, Rutherford L, Doty D, Jemmott G, Amiel D. 1976. A comparison of cortical bone atrophy secondary to fixation with plates with large differences in bending stiffness. J Bone Joint Surg 58A:190–195. 32. Wozney JM. 1999. Biology and clinical application of rhBMP-2. In Tissue engineering: application in maxillofacial surgery and periodontics, pp. 103–123. Ed SE Lynch, RJ Genco, RE Marx. Chicago: Quintessence. 33. Yamada H. 1970. Strength of biological materials. Baltimore: Williams & Wilkins.
