Bioaktivní materiály in vivo, in vitro Aleš Helebrant Ústav skla a keramiky Fakulta chemické technologie VŠCHT Praha
OBSAH • Úvod – definice biomateriálu, biomateriály v lidském těle • bioaktivní x bioinertní materiály • In vivo a in vitro testy • Vývoj testů in vitro, simulace tělního prostředí • Kinetika interakce, parametry charakterizující bioaktivitu • Mechanismy interakce bioaktivních materiálů se simulovanou tělní tekutinou (SBF) • Příprava nových biomateriálů a bioaktivních vrstev
Biomateriály
In vivo– definice biomateriálů •biomateriál ≠ biologický materiál •1. Neživý materiál použitý v lékařských přípravcích určený k interakci s biologickými systémy [ESB Consensus Conference I] •2. Materiál určený k ochraně, posílení nebo náhradě tkání, orgánů nebo tělesných funkcí, používaný v těsném kontaktu s biologickými systémy [ESB Consensus Conference II] •3. (V chirurgii) syntetický materiál určený k náhradě části živého systému nebo k funkci v těsném kontaktu s živou tkání [Wikipedia] [Ratner, 2005] Biomateriály
In vivo– příklady biomateriálů
[Ratner, 2005] Biomateriály
In vivo– příklady anorganických biomateriálů
Biomateriály
In vivo - základní dělení biomateriálů • bioinertní mechanická morfologická fixace
• bioaktivní – vznik pevné vazby
• resorbovatelné Biomateriály
In vivo – bioaktivní x bioinertní
SiO2, Na2O, CaO, P2O5
HAp
Bioglas
Ti
Měkká tkáň
Bioinertní
Bioaktivní
+ Tvorba přímé pevné vazby s obklopující
implantátu měkkou - Zapouzdření tkání
- Mechanické vlastnosti
+
tkání přes vrstvu HAp
HAp - Ca10(PO4)6(OH)2 Biomateriály
Mechanické vlastnosti
Princip bioaktivního chování skel
přesycení + gelová struktura Na+
Ca2+
SiO2 gel vrstva sklo
Bioaktivní sklo (Na2O-CaO-SiO2)
[Hench;1977, 1993] Biomateriály
In vivo a in vitro testy Krev
In vivo Buňky
Plasma
45%
55%
Organická část
Na + K+ Ca 2+ Mg 2+ ClHCO 3HPO 42SO 42-
blood plasma [mmol/l]
SBF [mmol/l]
137-147,0 3,8-5,1 2,25-2,75 0,75-1,25 98-106 24-35 0,65-1,62 0,5
142,0 5,0 2,5 1,5 147,8 4,2 1,0 0,5
Anorganická část
In vitro SBF
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Biomateriály
Cl- HCO32- PO43- SO42[Jonášová, Helebrant, Šanda; 1999, 2002] [Kokubo 1995; Takadama et al. 2004]
In vivo a in vitro testy rozhraní kost-implantát Sklokeramika HA
povrch implantátu v SBF HAp
kost
HAp - Ca10(PO4)6(OH)2
[Strnad, Helebrant, Hamáčková, Maryška, 2000] Biomateriály
In vitro testy – statické x dynamické Spektrofotometr OM, SEM/EDS, ESCA
Cela Roztok SBF Peristaltické čerpadlo 0,04 ml/min
Vzorek
Termostat 37°C [Strnad, Skrčená, Protivínský, Helebrant; 2002] Biomateriály
Analýza roztoku – porovnání bioaktivních a bioinertních materiálů 120
100 Ca= at.% Ca 67,9 = 65,2at% P P=35.8 =35,8 at.% at%
100 c (PO 4 ) [mg/l]
80 70
80 60
3-
3-
c (PO4 ) [mg/l]
90
60
C a=6,7 at.% P =0,7 at.%
50
bioaktivní Ti
bioinertní Ti (c.p.)
40 20 0
40 0
20
40
60
80
0
20
40
120
120
100
100 c (PO4 ) [mg/l]
80
bioaktivní sklo
3-
3-
c (PO4 ) [mg/l]
80
Čas [h]
Č as [h]
60
60
40 20
80 60
bioinertní sklo
40 20
0
0
0
50
100
150
200
0
Č as [m in]
10
20
30
Č as [m in]
Biomateriály
40
50
Analýza roztoku – charakteristické parametry interakce 3,0
100 ADSORPCE
80 70
Indukční čas
Ti bioaktivní
2,5
m (PO43-) mg
c (PO43-) [mg/l]
90
2,0 1,5 1,0
60 Růst krystalů
50
Ustálený stav
tind = 25,6 h
0,5 0,0
40 0
20
40
60
0
80
Čas [h]
20
40
60
Čas [h] [Strnad, Skrčená, Protivínský, Helebrant; 2002]
Biomateriály
80
Analýza povrchu – rtg difrakce, SEM-EDS Intensity [arb. units]
16-Sep-1998 8:50:52 HA Plasma Vert=3712 counts
Auto-VS Disp=1 Comp=3
Preset=Off Elapsed=57 sec
Ca
Synt. HA
20um
at. mol.Ca/P=1.58
P
precipitate Ca
Bone apatite (pig femur)
P 1 0,000
2 3 4 Range = 10.230 keV
5 6 7 Integral 0 = 83557
2Θ, CuKα [deg]
defektní kostní apatit Biomateriály
8
9 10.110
Analýza povrchu - kvantitativní parametry pro určení míry bioaktivity
Hodnocené parametry: • průměr sférolitů • max. průměr sférolitů (10 částic) • podíl pokrytého povrchu • počet částic na jednotce povrchu
Biomateriály
area fraction [%], max.diameter [um]
Analýza povrchu kvantitativní parametry pro určení míry bioaktivity 14
80
12
70
10
60 50
8
40
6
30
4
20
2
10
0
area fraction m ax. diam eter num ber of objects
0 1
area fraction [%], max. diameter [um]
analýza na 5 místech 1 vzorku
2
3 location
4
5
12
100
10
80
8
60
6 40
4 2
20
0
0
area fraction max. diameter number of objects
4 vzorky v SBF loužené za stejných podmínek
Max. průměr
sample 1 sample 2 sample 3 sample 4
Biomateriály
[Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000]
Určení řídícího mechanismu interakce -9
I AP R = k 18 − 1 K
ln R
-10 -10.5
n
řídící mechanismus ∼ n: 0
2.5 - nukleace
-11 2.6
2.7
2.8 2.9 ln (S -1)
3
3.1
3.2
max. diameter (um).
solution rate roztok supersaturation přesycení IAP/K growth R [um/h] (IP/Ks) [um/hour] 1 SBF 0.15 4.1. 1021 1.2 SBF 0.19 2.8. 1023 24 1.5 SBF 0.20 4.0. 10 1.6 SBF 0.21 8.7. 1024 16 14 12 10 8 6
induction ind. čas [h] time [hours] 26.0 13.6 11.1 9.2
Regression R2 coefficient [R2] 0.98 0.99 0.99 0.97
[Nancollas 1989]
14 12
1.6 SBF 1.5 SBF 1.2 SBF 1 SBF
n ≈ 0.72
4 2 0
weight [mg]
2.5
25 20
10 8
15
6
10
n ≈ 2.8
4 2 0
0 0
0
20
40
60 80 time (hours)
100
120
Biomateriály
5
supersaturation (S-1)
2
R = 0.95
-9.5
50
100
150
200
250
300
time [hours]
[Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000]
Návrh nových materiálů – osseoindukční faktory [Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000]
přesycení + gelová struktura Na+
přesycení Na+
Ca2+
Ca2+
SiO2 gel
gelová struktura Na+ Ca2+
SiO2 gel SiO2 sklo
sklo
Bioaktivní sklo (Na2O-CaO-SiO2)
SiO2 sklo v 1.8 SBF Biomateriály
vzorek pokrytý gelem SiO2 v SBF
Návrh nových materiálů – osseoindukční faktory
bioaktivní Ti
křemenné sklo
po 48, 70, 94 hod v SBF
po 48, 72, 120
křemenné sklo pokryté gelem SiO2
hod v 1.8 SBF.
po 120 a 168
Biomateriály
hod v SBF.
Chemické úpravy → bioaktivní Ti Ti + HCl
Čistý Ti kost
kost
Ti + HCl + NaOH kost
Měkká tkáň Měkká tkáň
5 týdnů
12 týdnů pískovaný
obrobený
5 týdnů [Kokubo et al. 1996] [Jonášová, Hlaváč; 2000] [Strnad, Helebrant; 2000] [Jonášová, Müller, Helebrant, Strnad, Greil; 2004]
Biomateriály
Chemické úpravy → bioaktivní Ti gel TiO2+Na+
TiO 2 HCl
Ti
Inert.atm
NaOH
Ti
Ca2+ Ca2+
(PO4)3-
Ca2+
(CO3)2-
Na+
(CO3)2-
CaO-P2O5
hydroxyapatit rekryst.
tělní tekutina
Biomateriály
(PO4)3-
Návrh nových materiálů – zvyšování rychlosti srážení HAp slinutý HAp
vysoce porézní HAp
[Protivínský, Veselý; 2002] Biomateriály
Chemické úpravy → bioaktivní Ti gel TiO2+Na+
TiO 2 HCl
Ti
Inert.atm
NaOH
Ti
Ca2+ Ca2+
(PO4)3-
Ca2+
(CO3)2-
Na+
(CO3)2-
CaO-P2O5
hydroxyapatit rekryst.
tělní tekutina
Biomateriály
(PO4)3-
Návrh nových materiálů – použití prekalcifikačních roztoků koncentrace [mmol.dm-3] roztok
Ca2+
H2PO4-
HCO3-
SCS1
5,0
5,0
1,5
SCS2
5,0
2,5
1,5
SCS3
10,0
2,5
1,5
SCS1
+SBF
Podíl Ca/P [at%/at%]
SCS
SCS+SBF
SCS2 Biomateriály
SCS1
SCS2
SCS3
krystal
2,47
2,47
0,63
spodní vrstva
1,60
2,65
0,45
krystal
1,85
1,77
1,29
spodní vrstva
1,88
1,32
1,37
+SBF
SCS3
+SBF
[Skrčená, Heide, Helebrant; 2005]
Návrh nových materiálů – použití prekalcifikačních roztoků
chem upravený Ti bez prekalcifikace + SBF
chem. upravený Ti + SCS + SBF
[Horváthová, Rohanová, Calvez, Helebrant 2005]
Biomateriály
Děkuji Vám za pozornost
Biomateriály
