BIOKOMPATIBILIS ANYAGOK

1

BIOKOMPATIBILIS ANYAGOK.

1Bevezetés. Biokompatbilis anyagok különböző funkcionális testrészek pótlására ill. plasztikai célokat szolgáló alakos, meghatározott méretű, anyagok ill. eszközök, amelyek tartósan vagy meghatározott ideig a kívánt biofunkciót biztosítják. Ezek lehetnek EU szabvány szerint: a.) Protézis Külső-humántesten kívüli –pót-testrész (műláb, műkéz, új, stb.) b.) Implantátum: olyan orvosi eszköz, amelyet egy vagy több anyagból készítenek a testbe ültetés céljára, úgy hogy azt teljesen vagy részlegesen kötőszövet réteg (mesoderma) fogja körül. Humán szövetek, ill. csontozat közé beépített implantátumok (újizület, csípőizület, műfogsor. testfolyadékot szálitó shuntök stb.). Implantátumoknál felhasználási időtartalom szerint különbséget tesznek. Ultra-rövid időtartalmú csoportja. Rövid időre beépített implantátumok. (Tgégecső), vagy hosszú idejű implantátumok csoportja, amelyek tartósan a beteg testébe maradnak. c.) Bioanyagok (Biomaterialok): Orvosi eszközökben használt, a biológiai rendszerrel kölcsönhatásba lépő, nem csíraképes (nem élő) anyag. Orvosi segédeszközök, amelyeket csak meghatározott ideig használnak (orvosi vizsgálati eszközök, katéterek, bőr - expanderek stb.). d.) Mesterséges szervek: a test egy szerve funkciójának részleges vagy teljes kiváltására szolgáló orvosi eszköz.(Ascitest szállító shuntök, műszív stb.) Biokompatbilis anyagok az alábbi csoportokba tartozhatnak: ANYAGCSALÁD Fémek Ötvözetek

Kerámiák

Műanyagok

Elasztomerek Gélek Kompozit

PÉLDÁK Au,Ti,Pt Ti-6A-4V Co-Cr-Mo, Co-Cr-Ni Fe-Cr-Ni (Austines savállóacél) Pt-Rh Al2O3 Porcellán pirolitikus grafit PTFE PE,PPE PMMA Szilikon és poliuretán gumi, mesterséges és természetes kaucsuk. Fémbetétes akrilát műfogsor Polipropilén szövetes-szilikon fólia

A speciális tartós vagy rövidebb ideig humán vagy állati testbe beépített anyagok alkalmasságát és felhasználhatóságát két fontos tényező határozza meg, nevezetesen a biokompatibilitás, (hisztokompatibilitás, hemokompatibilitás és a celluláris kompatibilitás.) és a biófunkcianalitás 1.0) Biokompatibilitás. Biológiai összeférhetőség, biokompatibilitás alatt a biológiai rendszer – az élő (többnyire emberi) szervezet - és a biológiai rendszerbe helyezett technikai rendszer zavartalan, összeférhetőségét értjük. Az összeférhetőséget a.) technikai rendszer szerkezetének

1

2

b.) fizikai (mechanikai, statikai, adhézió felületi feszültség stb.) és c.) kémiai, biokémiai (kémiai oldás, kemoszorpció, korrózió, műanyagok degradációja, hidrolitikus bomlása stb.) tulajdonságoknak kell biztosítani. Ugyancsak fontos a felületi összeférhetőség. A kívánt klinikai hatást az implantátum felületének megfelelő kémiai, fiziológiai, biokémiai és morfológiai kialakítása nagymértékben befolyásolja. A cél az optimális klinikai hatást biztosító felület elérése. Pl. Fémimplantátumok esetében a szerkezeti összeférhetőség mellet igen fontos, hogy csak az elektrokémiai korróziót jól tűrő fémek alkalmazhatók. (Ezt a kémiai tulajdonságot a később részletesebben ismertetett elektródpotenciál határozza meg.). Biokompatibilis polimerek esetében pedig teljesítenie kell az adott alkalmazásnál megkívánt mechanikai igényeket, pl. terhelésnek kitett polimereknek, pl. kellően szilárdnak, merevnek. ütésállónak, dinamikus igénybevétel esetében vagy plasztikai célokat szolgáló stb. esetben puhának, rugalmasnak, lágynak (gél) kell lennie. 1.1) Hisztokompatibilitás , implantátum - szövet kölcsönhatás. Minden implantátum a befogadó szövet válaszreakcióját váltja ki; ez a reakció általában a szövet és az implantátum érintkezési felületén keletkezik. Az implantátumok által kiváltott szöveti reakciók lehetnek: Implantátum tulajdonságok Toxikus (mérgező) Inert (közömbös) Bioaktív Degradábilis (lebomló, felszívódó)

Szöveti reakciók Szövet elhalás (nekrozis) A szövet betokozza az implantátumot (nem ismeri fel idegenként, csak mintegy körülveszi) A környező szövetek hozzá kötődnek tapadnak az implantátumhoz A szövet (idővel) pótolja az implantátumot. Átveszi annak szerepét.

Az implantátum tervezésekor, anyagának kiválasztásakor fontos szempont, hogy az ne okozzon toxikus effektusokat (sejtelhalást), a környező szöveteket ne roncsolja, és ne oldódjanak ki belőle a szervezetre veszélyes anyagok. 1.2) Hemokompatibilitás. A vérárammal kapcsolatba kerülő bioanyagnak a vérrel összeférhetőnek, hemokompatibilisnek kell lennie- Az itt használt eszköz (érpótló polimer, fémháló shunt stb.) nem lehet trombogén, trombusképző, a véralvadást kiváltó jellegű. 1.3) Cellurális kompatibilitás. Az élő szervezettel kapcsolatba kerülő orvostechnikai eszköz biokompatibilitása egy bizonyos értelemben tehát összeférhetősége az élő sejttel. A sejt az élőszervezet legkisebb egysége, amely még önálló életjelenségeket mutat, tehát mozoghat, anyagcserét folytat, ingerlékeny és szaporodik. 2.Biófunkcianalitás Az a tulajdonság értendő, hogy az adott anyag képes-e betölteni a neki szánt funkciót, azaz pl. rendelkezik-e a megfelelő mechanikai, reológiai, mágneses, elektromos, vagy egyéb fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal. A szervezet befogadó kézsége adott anyaggal szemben - azaz adott anyag biokompabilitásaváltoztatható. Erre lehetőséget teremtenek bizonyos gyógyszerként adagolható vegyi anyagok (pl. anti-koagulánsok), amelyek módosítani képesek az inplantátum szövet határfelületi jelen-ségeket, azaz a szervezet válaszreakcióját. További lehetőség az implantátumok felületének módosítása. Ez a felület morfológiájának, kémiai összetételének, energiaállapotának stb. változását jelenti. Példa fém implantátumok bevonattolása (pl., hidroxiapatit, módosított titán-oxid vagy műanyag réteg stb.) ill. a polimerek felületének kezelése anti-koagulánsokkal.

2

3

Biokompatibilis anyagoknak számos követelményt kell kielégíteniük, ezért BIOLÓGIA, ORVOSTECHNIKAI és ANYAGTUDOMÁNYI ismeretekre van szükség. Ezért biokompatibilis implantátumuk, funkcionális eszközök kidolgozásához orvosok, mérnökök munkaközösségeinek együttműködésére van szükség (Team-munka). E két szakember-csoport között a kapcsolatot az orvosbiológia mérnöknek kell áthidalnia az adott célú és funkciójú biokomptabilis eszköz vagy implantátum kidolgozásához Az anyagok biokompatibilitását befolyásoló tényezők Az anyag *kémiai tulajdonság *felület kémiai tulajdonság *felületi érdesség *felületi töltésállapot *kémiai stabilitás *kémiai bomlás termékei *degradációs termékek fizikai tulajdonságai Az eszköz - méret - alak (geometria) - mechanikai és reológiai tulajdonságok (rúg. modulus stb.) A befogadó testszövetek ill. személy állapota - humán szövet típusa és elhelyezkedése - életkor - nemiség - általános egészségi állapot - gyógyszerfogyasztás A rendszer - műtéti technika - implantátum - szövet érintkezés - fertőzések 1. Anyagtudományi (fizikai, kémiai, biokémia természettudományi stb.) 2. Orvostudományi ismeretekre van szükség. A biokompatibilis tantárgynak éppen az a célja, hogy az anyagtudománynak az integrált természet-tudományos elméleti alapjait és gyakorlati módszereit ismertese. 2.GÁZOK ÉS FOLYADÉKOK ÁLLAPOTEGYENLETEI. Az alkalmazott biokompatibilis anyagok elsősorban szilárd állapotú anyagok (fémek, kerámiák, műanyagok stb.), de ha humán testbe beépítjük, akkor érintkezésbe kerülnek a testnedvekkel, amelyek víz oldószer tartalmú ionos, krisztalit ill. kolloid oldatok vagy finom diszperziók, amelyek még oldott gázokat (oxigén, széndioxid, stb.) is tartalmaznak. Ezért a gázok és folyadékok állapotát figyelembe, kell vennünk, mert a beépített biokompatibilis anyagokra különböző fizikai hatásokat gyakorolnak. Folyadék és légnemű anyagok állapotegyenlete. van der Waals egyenlet.

( V¬ b ) × ( p +

a 2 ) = RT V

3

4

ahol R=Regnault állandó, T=Kelvin fokokban kifejezett hőmérséklet, V = móltérfogat, p= nyomás, b= kovolumen, a= kohéziós erő koefficiens Minden olyan anyag, ami bomlás nélkül légnemű állapotban hozható. Három halmazállapotban létezik, a hőmérséklet (T), térfogattól (V) és a nyomástól (p) un. állapothatározóktól függően: szilárd, cseppfolyós és légnemű (gőz, vagy gáz) állapotban. [Ezeken kívül létezik még két kvantum állapot is: Szupravezető és Szuprafolyékony állapot is.] A cseppfolyós és légnemű halmazállapot állapot függvényét P, T, V állapothatározóktól függően a van der Waals empirikus függvény, közelíti meg legjobban. Az alábbi grafikon a van der Waals egyenletet, ábrázolja p., T, V állapothatározóktól függően 1 mól anyag mennyiség esetében, állandó hőmérsékleten feltüntetett izotermák függvényseregével. Minden anyag jellemző pontja a kritikus hőmérséklet (Tk), a kritikus térfogat (Vk), kritkus nyomás (pk). Ezen a hőmérsékleten meghatározott térfogat és nyomás tartozik és e pont felett az anyag csak gáz állapotban, létezik és nem cseppfolyósítható. Ez a van der Waals egyenlet szinguláris pontja. A kritikus hőmérséklet alatt az anyag igen kis nyomáson gőzállapotban létezik a nyomás növekedésével a térfogat egyre, csökken, majd az adott hőmérsékleten elérve a telitett gőznyomást (tenziót) meghatározott telitett gőz molltérfogatához (Vg) jutunk, a tovább csökkentve a térfogatot a tenzió nyomás nem változik, de a gőzállapotból egyre több molekula kerül cseppfolyós állapotba, addig, amíg a gőz fázisból cseppfolyós állapotba nem kerül az összes anyag. Tenzió nyomáshoz és adott állandó hőmérséklethez tartozó térfogat a folyadék móltérfogata (Vf ). Különböző hőmérsékletekhez tartozó tenzió nyomásokhoz meghatározott gőz és folyadék molltérfogat tartozik. Ha a lecsapott folyadék nyomását a tenzió nyomás fölé növeljük, úgy a folyadékot nyomjuk össze, aminek komprimálhatósága jóval csekélyebb, mint a gőz vagy gázfázisé. Kritikus pont feletti magas hőmérsékleten folytonos hiperbola szerint változik a gáz nyomása a térfogattól függően, vagyis a kovulumen (b) és a kohézió (a) elhanyagolható és így a van der Walls egyenlet egyetemes tökéletes gázállapot függvénybe, megy át.

pv = RT p

T3 pk

Tk

T2

T1

Vf

Vk

Vg

V

4

5

Halmazállapotok és halmazállapot változások. Minden anyag adott nyomáson reá jellemző hőmérsékleti ponton megdermed, azaz szilárd halmazállapotba megy át és ugyanezen a hőmérsékleti ponton, ha melegítjük, megolvad, azaz cseppfolyós állapotba kerül. az olvadáshőmérséklet a külső nyomástól kis mértékben függ. A víz olvadáshőmérséklete a nyomás növekedtével csökken, de pl. a jód olvadáshőmérséklete nő. Szilárd anyag is párolog és adott hőmérsékleten meghatározott gőznyomása, van, amit szublimációs nyomásnak nevezzünk. A szublimációs nyomás a hőmérséklettel szintén nő-, mint a folyadék állapotban a tenzió nyomás-és abszolút hőmérsékleten zéróvá válik. Szilárd állapotban az anyagnak meghatározott kristályszerkezete van, a kristályt felépítő részecskék meghatározott periodikus rend szerint rácspontokon helyezkednek el. Így a szilárd kristályos halmazállapotban az anyag rendezett állapotban van, amorf állapottól eltekintve. Mivel az anyag olvadás hőmérséklete, valamint forrás hőmérséklete a nyomástól függ, ezért a forráspont ill. olvadáspont atmoszférikus nyomáson mért fizikai állandó. (atmoszférikus nyomás: 101.325 kPa). Így a víz 0°C olvad és 100°C-on forr, ezek a pontok egyúttal a Celsius hőmérsékleti skála választott alappontjai. A folyadék állapotban csak lokális rend van, ami nem is állandó, mert a labilis állapot és könnyen átalakul más formába, mert a folyadék állapotban a molekulák kis mértékű transzlációs mozgást is végeznek a rezgő és forgó mozgás mellett. A szilárd halmaz állapotban a transzlá- ciós mozgások, sőt forgó mozgások is befagynak, és csak rezgőmozgás létezik, ami a hőmérsék-let csökkenésével szintén csökken, de abszolút nulla fokon is rezeg a kristályt felépítő részecske (atomok ill. ionok, nullpontrezgés). Gázállapotra viszont a tökéletes rendezett állapot a jellemző és kis nyomáson és nagy hőmérsékleten a növekedett gáz térfogat miatt olyan távol kerülnek a molekulák, hogy a köztük működő kohéziós erő nullává válik és a részecskék már matematikai pontoknak tekinthetők. Erre az állapotra vonatkozik a már ismertetett tökéletes gáz törvény. (pV = RT). Ismertetett makrofizikai anyagra jellemző tulajdonságok ismertetése után szükséges az anyag belső szerzetének részletesebb ismerete, ami már a mikrofizika ill. kvantummechanika körébe tartozik.

p K víz jég Op=0°

O gőz

t -273,15°

0,0076°

Fp=100º

374º

5

6

Fázisdiagram. A különböző fázisokat és fázisváltozásokat fázisdiagramban ábrázolhatjuk, ahol az abszcisszára a hőmérsékletet (t) és az ordinátára nyomást vesszük fel. A fenti ábra a víz fázisdiagramját ábrázolja. A víz p-t diagramjának vizsgálatával megállapíthatjuk azt, hogy a gőznyomás (tenzió) a hőmérséklet növelésével az OK görbe mentén növekszik. Az OK görbe kezdőpontja értelemszerűen a víz úgynevezett hármaspontja (l. alább!), végződése pedig a kritikus hőmérsékletnek megfelelő pont, ahol a folyadékállapot megszűnik. A szublimációra hasonló görbe szerkeszthető, amely a gőznyomás görbénél meredekebb. Kezdőpontja, koordinátarendszer kezdőpontja, mert igen alacsony hőmérsékleten a szilárd anyag rácspontjaiban elhelyezkedő részecskék kisebb mozgékonyságának megfelelően szublimáció gyakorlatilag nem következik be és így a szublimációs nyomás közelítőleg zérus. A szublimációs görbe az O – pontban végződik és itt éri el a tenziógörbét, mert az olvadáspont felett szilárd halmazállapot nem lehetséges. Az O pontból még egy harmadik egyensúlyi görbe is indul ki, melyet olvadási görbének nevezzük. E görbe az állapotjelzők azon értékeit adja meg, amelyeknél a jég folyékony vízzel tart egyensúlyt. Az OB görbe víz esetében alig észrevehető mértékben a p tengely felé hajlik, ami annyit jelent, hogy – mint azt tapasztalatból is tudjuk – a víz olvadáspontja a nyomás növelésével csökken. A szublimációs görbét, a szilárd fázis és a gőzfázis egyensúlyait az állapotjelzők adják meg, tőle balra csak jég, jobbra pedig csak gőzállapot van. Az O pontban három fázis egyidejűleg van jelen és egyensúlyt tart, vagyis itt a víz és a jég telitett gőzének nyomása egyenlővé válik. Ezt az állapotot hármaspontnak nevezzük. Ebben az állapotban a szilárd, folyékony és légnemű halmazállapot egyaránt jelen van és egyensúly tart. Ennek az állapotnak a hőmérséklete és nyomása csak az anyagi minőségtől függ. Így a víz hármaspontja a nyomása csak a nyomás 4,579 torr, a hőmérséklet pedig +0,0076ºC.

Folyadékok felületi állapota [Felületi feszültség] Ezek közül már az előbb említett felületi hatások közül a nedvesítés legalapvetőbb tulajdonság, amelyet a felületi feszültség határoz meg. gőztér

Folyadék felszíne folyadék belseje

Felületi feszültség = γ , F = erő, W = munka

γ=

F W = A A2

A = Hossz Dimenzió: Nm-1 = Jm-2

Illeszkedési szög: A különböző anyagok érintkezési során a felületek között kölcsönhatás lép fel. amely a két különböző anyagok közti adhéziós erőkkel és a részecskék közti kohéziós erőkkel magyarázható. Így az implantátumok és a test szövetei ill. test-folyadékok között is felületi erők ébrednek. Az implantátum hidrofób és hidrofil lehet, vagyis nedvesíthető vagy nem. Ez az effektus mivel a

6

7

felületen jön létre, nagymértékben befolyásolható felület bevonó anyagokkal. A célnak megfelelően beállítható a nedvesítés mértéke. Példa kedvéért tegyünk üvegpohárba különböző folyadékokat. Tapasztalat szerint három esetet lehet megkülönböztetni. 1. Üvegfal és a folyadék közt a falhoz viszintesen illeszkedik a folyadék felszíne, vagyis az illeszkedési szög, un. peremszög ( δ ) 90 fok. Fa

δ=90° Fk

Fk2 = Fa2 + Fa2 = 2 × Fa2 vagyis Fk = 2.Fa2 Ha a kohéziós erő az adhéziós erő √2 szerese úgy az illeszkedési szög δ=90°, vagyis a meniszkus teljesen vízszintes. pl. szilikonozott üvegcsőben a víz meniszkusza, mert a víz a hidrofób szilikonozott üvegfelületet, nem nedvesíti. Ezért az analitikában a büretta leolvasás pontosabbá tehető és az injekciós ampullákból az orvosság kvantitative kiszívható, ha az üveget szilikonréteggel bevonjuk. 2.Domború a folyadék felszíne. Nem nedvesíti a folyadék az üvegfalat ill. az anyag felületét. Hidrofób eset.

Fa δ>90

Fk

Fk 〉 Fa . 2 Higany γ=435 mN/m (2°C-on) A higany nem nedvesíti az üveget, mert a kohéziós erő nagyobb, mint az adhéziós erő. 3.Homorú a folyadék felszíne. Ebben az esetben a folyadék nedvesíti az üvegfalát, pl. víz vagy vizes oldatok (vér, testfolyadékok stb.). Ez az un. hidrofil eset. Kohéziós erő kisebb, az adhéziós erőnél. (Víz γ=72 mN/m 25°C). Fa

Fk

δ<90

Fk 〈Fa 〈 2 A három példa alapján megállapítható, hogy a nedvesítés mértéke végső soron a peremszög függvénye. Ezért vizsgáljuk meg most a szilárd felületek folyadék által való nedvesedő képességének jelenségét. Foglalkozzunk az L (liquidus) folyadék egy cseppjével, amely a S (solidus) szilárd test és a G (Gáz) levegő MN határán foglal helyet. δ 7

8

GŐZ G δ

M

γLG

N

γLS

γSG

Solidus (S) A nedvesedő képesség vizsgálatánál három féle felszíni feszültségre kell tekintettel lenni: 1.a szilárd test-levegő határán fellépő γSG ; 2.a szilárd test-folyadék határán fellépő γSL ; és 3. a folyadék-levegő határán fellépő γLG feszültségekre. Legyen a szilárd testre ráhelyezett cseppnek terjedelme akkora, hogy a szilárd test felszínéből 1 m2 foglaljon el ez esetben a csepp odahelyezésekor a felszíni feszültség a szilárd test-folyadék határon γLS -vel növekedik, ugyanakkor a felszíni feszültség a szilárd test-levegő határon γSG -mal, illetve γLG -mal csökken, miután a levegőhártyák, amelyek eddig a szilárd felszínt és a folyadékot fedték, elhúzódnak. A szabad felszíni energiának (felület x. felületi feszültség), vagyis annak a munkának csökkenése, amelyet a folyadékcseppnek a szilárd test felszínére való helyezése megkövetel A = γ LG + γ SG − γ LS Joule lesz. A γSG felszíni feszültség a cseppnek az MN határ mentén való széthúzásra törekszik, a γLS felszíni feszültség viszont csepp összehúzására törekszik. A γLG felszíni feszültség a csepp felszínnek irányában hat. Ez az érintő a szilárd fal MN felszínével szöget zár be, amelyet már az említett peremszögnek nevezzünk. A csepp egyensúlyban van, ha

γ SG = γ LG × cos δ + γ LS Ebből meghatározható a szilárd felszín által való nedvesedésének feltétele. Ha a δ szög hegyes, úgy a γLG az MN felszínre való vetülete irány tekintetében egybeesik a γLS erővel és következésképpen, az erők összetevődnek, ellenkező eset akkor áll fent, ha peremszög tompa szög, ebben az esetben nedvesítés erősen csökken. Ha az első egyenletbe a második egyenlet, γSG kifejezését behelyesítjük, úgy a felszíni szabad energiára kapjuk.

A = γ LG × (1 + cos δ) Ha a δ peremszög 0 fok A= 2.γLG 90 A = γLG 180 A=0 181 Nevesedési munka a peremszög növekedésvel csökken hegyes szög estében nedvesedést fogunk észlelni és a peremszög mindaddig csökkeni fog, mígnem a szilárd test a folyadék által való nedvesítésének munkája egyenlővé nem válik magúknak a folyadékoknak összetartási energiájával, vagyis a kohézió munkájával. Azok a szilárd felületek, amelyeknél A = 2-1 γLG közt fekszik hidrofilnak nevezhetők, míg a további esetekben hidrofób felületek alakulnak ki. Pl. testfolyadékokra nézve a fémek, szilikon, teflon, PMMA hidrofób felületeket adnak, kerámiák egy részéből azonban hidrofil implantátumok képezhetôk. Ha a felület érdes, ezt legegyszerübben úgy vehetjük figyelembe, hogy a látszólagos egységnyi, (1 m2 ) felület r - szeresére nő,

r .( γ LS ¬γ SG ) = γ LG × cos δ r cos δ r = r × cos δ

amiből Eszerint a nedvesítés kezdeti kis peremszög esetén nő, nagy peremszög esetén csökken az érdességi tényező növekedtével.

8

9

Ezeknek az elméleti tényeknek birtokában tudatosan a felületi réteg bevonással ill. polírozásával vagy érdességével nagymértékben befolyásolhatók az implantátum nedvesíthetősége a környező humán szövetekkel. Pl. szilikon újizületet a hidrofób tulajdonsága alapján nem tudja benőni a testszövet, így a testnedv kenőanyagként hat, és az újizület tartósan mobilis marad, amit azzal is biztosítunk, hogy az izület központi hajlító része sima felületek, míg az új csontba elhelyezett végek érdes felületek. Folyadék felületének állapotegyenlete: Eötvös egyenlet. A felületi feszültség a hőmérséklettől nagymértékben függ és kritikus Tk hőmérsékleten nulla lesz az értéke.Pl a vízfelületi feszültsége hőmérséklettől való függését az alábbi táblázat Mutatja:

T°C -8 -5 0 5 10

γ 77.00 76.4 75.56 74.9 74.22

T°C 15 18 72 25 30

γ 73.49 73.05 72.7 71.97 71.18

T°C 40 50 60 70 100

γ 69.5 67.91 66.18 64.4 58.9

Eötvös a folyadék felszíni állapotára tapasztalati törvényt sikerült felírnia, amely a folyadék kétdimenziós rétegére vonatkozik, a van der Walls egyenlethez hasonló kétdimenziós a folyadék belső állapotát leíró egyenlet:

V2 / 3 × γ = Κ × τ ahol V= térfogat, γ =felületi feszültség, Κ = Eötvös állandó, τ = Tk - T, Tk = kritikus hőmérséklet Ebből az következik , hogy a hőmérséklet növekedtével a felületi feszültség csökken és kritikus hőmérsékleten, mivel τ = 0 lesz a felületi feszültség is eltűnik, mert mint már előbbi fejtegetésből is kiderült, nincs többé folyadék állapot Tk felett.

Ozmózisnyomás. Az élősejtek falai féligáteresztő hártyák. A féligáteresztő hártya nanométeres pórusokkal rendelkező vékony hártya. Ilyen féligáteresztő hártyák mesterségesen is műanyag fóliákból is előállíthatók. Különböző élőszervezetben található levő szervi részek, mint pl. halhólyag, szöveti hártyák stb. féligáteresztő hártyaként viselkednek. Pl. féligáteresztő halhólyagot cukoroldattal töltjük tele, és hólyag felső nyílására szorosan üvegcsövet kötözünk, és ragasztóval biztosítjuk az üvegcső és ezt körülvevő hólyagnyílás közti tökéletes hermetikus zárást, majd a halhólyagot desztillált vizes pohárba merítjük, akkor azt fogjuk tapasztalni, hogy az üvegcsőben a vízoszlop lassan emelkedni fog. Több napi állás után a vízoszlop emelkedése megáll és ekkor mért hidrosztatikai nyomás az un. ozmózisnyomás (h). Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy vízmolekulák jóval kisebbek, mint a cukor molekulák és a halhólyag mind a két oldalán a vízmolekulák diffúziója megindul. A cukor molekulák mivel jóval nagyobbak nem tudnak a halhólyag falán keresztül átjutni, ezért több víz megy az halhólyag belsejébe, mint a pohárba. A víz többlet hozza létre a hidrosztatikai nyomás különbséget, ami az ozmózisnyomással egyenlő. A pontos magyarázat azon alapszik, hogy a cukor oldat kémiai potenciálja (µc) nagyobb, mint a másik oldalon levő halhólyag 9 víz

h

10

cukormentes rész kémiai potenciálja (µo) és így keletkező (µc-µo) pot. különbség az ozmózisnyomást indukál.(Π). Tehát kezdeti pillanatban az ozmózisnyomás nulla, majd nőni kezd, és amikor a dinamikus egyensúly beáll a víz cukoroldat molekulák mindkét irányú diffúziós sebesség azonossá válik. Az ozmózisnyomás függ a cukoroldat koncentrációjától és a hőmérséklettől. Ebben az esetben a koncentráció helyett a hígítást használjuk, amely a koncentrációnak reciprok értéke:

ϕ=

1 c

ahol φ=hígítás (l/kg) és c= koncentráció (kg/l)

A három váltózót (φ, T, Π, hígítás, hőmérséklet[K], ozmózisnyomás ) tartalmazó Van’t HoffPfeffer törvény:

Π .φ = RT

1 mólnyi anyag esetében.

Egyenlet alapján, ha a hőmérséklet állandó, akkor hígítással csökken az ozmózisnyomás és fordított esetben, koncentráció növekedésével pedig nő. Az ozmózisnyomásnak a fiziológiában igen nagy jelentősége van. Az élőszervezetek, így a sejtek anyagforgalmát, tápanyagfelvételét stb. ugyanis éppen az ozmotikus jelenségek biztosítják. A növényi, állati és humánszövetek sejtfala és maga a plazma is szemipermeábilis (féligáteresztő). Hipotóniás oldatban a sejt megduzzad és a sejtfal meg is repedhet, a plazma ki is ömölhet (plazmolizis), hipertóniás oldatban viszont a sejt, illetve a plazma zsugorodása és ezáltal életműködésnek zavarai következhetnek be. A vérerekben történő befecskendezéseknél is ezért a vérsavóval izotóniás oldatot, az un. fiziológiai (0.9% -os) konyhasóoldatot használják.

10