LÈka skè textilie. 2. dìl. Kolektiv autor. Centrum pro podporu konkurenceschopnosti v biomedicìnsk ch technologiìch

LÈka¯skÈ textilie Kolektiv autor˘

Centrum pro podporu konkurenceschopnosti v biomedicÌnsk˝ch technologiÌch

2008

1

2. dÌl 2 dil kap 1.p65

1

23.7.2008, 13:42

Edito¯i a spoluauto¯i Prof. RNDr. David Lukáš, CSc. Ing. Lenka Martinová, CSc.

Spoluauto¯i Doc. RNDr. Evžen Amler, CSc. Ing. Lukáš Čapek, Ph.D. RNDr. Lucie Koláčná, Ph.D. Ing. Eva Košťáková Ing. Ondřej Novák Ing. Kateřina Vodseďálková

LÈka¯skÈ textilie 2. dÌl Kolektiv autor˘ Vydala Asociace inovačního podnikání ČR Novotného lávka 5, 116 68 Praha 1 Stran 248 Vydání první, 2008 Design a výroba Radix, spol. s r. o.

© Prof. RNDr. David Lukáš, CSc. a kol. 2

2 dil kap 1.p65

2

23.7.2008, 13:42

Obsah Předmluva / 9 1. Biotechnologie / 11 Evžen Amler, Lucie Koláčná, Univerzita Karlova v Praze, 2. lékařská fakulta 1.1 Biotechnologie / 11 1.2 Tkáňové inženýrství / 18 2. Textilie pro zdravotnictví / 21 Kateřina Vodseďálková, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 2.1 Požadavky na zdravotnické textilie / 21 2.2 Typy zdravotnických prostředků / 21 2.2.1 Neimplantační materiály / 22 2.2.2 Implantační materiály / 23 2.2.3 Prostředky pro hygienu a zdravotní péči / 24 2.2.4 Mimo tělní prostředky / 25 2.3 Přehled důležitých pojmů a definic / 26 2.4 Použitá literatura / 27 3. Vybrané metody výroby délkových a plošných textilních útvarů pro zdravotnické využití / 28 Kateřina Vodseďálková, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 3.1 Vlákna používaná ve zdravotnictví / 28 3.1.1 Chemická vlákna / 28 3.1.2 Přírodní vlákna / 30 3.2 Tkaniny / 32 3.2.1 Základní vazby tkanin / 33 3.2.2 Výroba tkanin / 34 3.2.3 Princip výroby tkanin / 34 3.2.4 Tkaní / 35 3.2.5 Tkaniny ve zdravotnictví / 36 3.2.6 Kombinace pletení a tkaní – pletenotkaní / 36 3.3 Pleteniny / 37 3.3.1 Historie pletařství / 38 3.3.2 Pleteniny ve zdravotnictví / 39 3.4 Netkané textilie / 39 3.4.1 Obecný postup výroby netkaných textilií / 40 3.5 Přehled důležitých pojmů a definic / 45 3.6 Doporučená literatura / 45 3

2 dil kap 1.p65

3

23.7.2008, 13:42

4. Materiály používané ve zdravotnictví / 46 Ondřej Novák, Kateřina Vodseďálková, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 4.1 Chirurgické nitě / 46 4.1.1 Historie chirurgických šicích nití / 46 4.1.2 Dělení chirurgických nití / 47 4.1.3 Výroba syntetických chirurgických nití / 48 4.1.4 Přehled chirurgických nití pro humánní použití / 49 4.1.5 Úpravy chirurgických nití / 52 4.1.6 Zkoušení, uchovávání a balení nevstřebatelných nití / 53 4.1.7 Přehled chirurgických nití společnosti Chirmax / 54 4.2. Obvazové materiály / 57 4.2.1 Rozdělení obvazů / 57 4.2.2 Materiály pro zhotovování obvazů / 62 4.2.3 Výrobní technologie / 69 4.2.4 Úpravy obvazových materiálů / 70 4.3 Obleky pro zdravotnický personál / 71 4.3.1 Bariérové textilie pro operační sály / 71 4.3.2 Zákonné požadavky aplikace / 72 4.3.3 Charakteristické testy kvality / 72 4.3.4 Charakteristická struktura produktů / 73 4.4 Ortézy / 76 4.4.1 Rozdělení ortéz podle různých hledisek / 76 4.4.2 Rozdělení ortéz z hlediska použitých materiálů / 81 4.4.3 Textilní materiály používané pro ortézy / 83 4.4.4 Pěnové materiály / 85 4.4.5 Výroba ortéz s převahou textilních materiálů / 86 4.4.6 Základní požadavky na ortézy a zkoušení jejich vlastností / 87 4.5 Výrobky osobní hygieny s akviziční distribuční vrstvou / 88 4.5.1 Historie vývoje dětských plen / 88 4.5.2 Konstrukce plen / 89 4.5.3 Konstrukční vývoj plen / 92 4.5.4 Inkontinence / 93 4.6 Antidekubitní pomůcky / 95 4.6.1 Hodnocení rizika vzniku proleženiny a klasifikace dekubitů / 98 4.6.2 Antidekubitní pomůcky pro redukci působícího tlaku / 100 4.6.3 Matrace / 102 4.6.4 Nahrazující matrace / 105 4.6.5 Potahy antidekubitních matrací / 107 4

2 dil kap 1.p65

4

23.7.2008, 13:42

4.6.6 Zkoušení antidekubitních systémů / 108 4.7 Přehled důležitých pojmů a definic / 109 4.8 Doporučená literatura / 110 5. Umělé cévy a náhrady / 112 Ondřej Novák, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 5.1 Implantovatelné textilie / 112 5.1.1 Historie cévních náhrad / 112 5.1.2 Důvody použití náhrad / 114 5.1.3 Druhy cévních náhrad / 115 5.1.4 Náhrady tepen a cév malého průměru / 116 5.1.5 Konstrukce náhrad velkých a středních průměrů / 116 5.1.6 Střední a malé průměry / 117 5.1.7 Náhrady s endoteliálními buňkami / 117 5.1.8 Polyesterové náhrady / 118 5.1.9 Úpravy cévních náhrad / 121 5.1.10 Příčiny selhání cévních náhrad / 124 5.2 Jiné implantovatelné textilie / 124 5.2.1 Gastrická bandáž / 124 5.2.2 Síťka pro chirurgické účely / 125 5.2.3 Cévní záplaty / 125 5.3 Doporučená literatura / 128 6. Scaffoldy pro tkáňové inženýrství chrupavky / 129 Eva Košťáková, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 6.1 Úvod / 129 6.2 Chrupavka / 129 6.3 Proces tkáňového inženýrství / 130 6.4 Požadavky kladené na scaffold pro kolenní chrupavkové náhrady / 132 6.5 Výroba scaffoldů pro kolenní chrupavkové náhrady / 133 6.5.1 Netextilní způsoby výroby scaffoldů / 133 6.5.2 Textilní technologie vhodné k výrobě scaffoldů / 142 6.6 Seznam důležitých definic a pojmů / 153 6.7 Použitá literatura / 155 7. Polymery a reakce v organismu / 159 Lenka Martinová, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 7.1 Xenobiotika / 159 7.1.1 Reakce organismu a základní mechanismy interakcí s xenobiotiky / 160 5

2 dil kap 1.p65

5

23.7.2008, 13:42

7.1.2 Osud xenobiotika v organismu / 160 7.1.3 Metabolismus xenobiotika / 161 7.2 Biologická účinnost a úroveň jejího hodnocení / 161 7.3 Nároky na materiál aplikovaný v lidském těle / 162 7.4 Biodegradace (biologický rozklad) / 162 7.5 Biokompatibilita / 164 7.6 Imunita a aktivita leukocytů / 166 7.7 Kontakt s krví / 168 7.8 Odezva organismu na implantát / 171 7.8.1 Biologická odezva / 173 7.8.2 Srážení krve / 174 7.8.3 Mutagenita a karcinogeneze / 173 7.8.4 Cytotoxicita / 175 7.8.5 Hemokompatibilita / 175 7.9 Testy na zvířatech / 176 7.9.1 Stručný výčet testů a jejich základní charakteristika / 177 7.10 Klinické testy / 177 7.11 Přehled důležitých definic a pojmů / 178 7.12 Doporučená a použitá literatura / 182 8. Polymerní biomateriály / 183 Lenka Martinová, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 8.1 Polymery používané jako biomateriály / 183 8.1.1 Polvinylchlorid / 184 8.1.2 Polyetylen / 185 8.1.3 Polypropylen / 185 8.1.4 Polymethylmethakrylát / 186 8.1.5 Hydrogely / 186 8.1.6 Polystyren a jeho kopolymery / 187 8.1.7 Polyester / 188 8.1.8 Polyamid / 188 8.1.9 Fluorkarbonové polymery / 189 8.1.10 Pryže (kaučuky, elastomery) / 189 8.1.11 Polyuretany / 190 8.2 Biopolymery / 190 8.3 Biodegradabilní polymery / 191 8.3.1 Vlastnosti degradabilních polymerů vhodných jako biomateriály / 191 8.3.2 Chitosan / 192 6

2 dil kap 1.p65

6

23.7.2008, 13:42

8.3.3 Polymléčná kyselina / 193 8.3.4 Polyglykolová kyselina / 194 8.3.5 Kopolymer kyseliny polymléčné a polyglykolové / 195 8.3.6 Polykaprolakton / 197 8.4 Přehled důležitých definic a pojmů / 197 8.5 Doporučená a použitá literatura / 198 9. Sterilizace / 200 Lenka Martinová, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 9.1 Definice sterilizace / 201 9.2 Testování sterilnosti / 202 9.3 Metody sterilizace a její úskalí / 204 9.4 Fyzikální způsoby sterilizace / 205 9.4.1 Sterilizace párou / 205 9.4.2 Sterilizace suchým teplem / 206 9.4.3 Sterilizace filtrací / 206 9.4.4 Plazmová sterilizace / 206 9.5 Vliv plazmy na polymery / 207 9.6 Sterilizace radiační / 208 9.7 Chemické způsoby sterilizace / 209 9.7.1 Sterilizace ethylenoxidem / 209 9.8 Alternativní metody chemické sterilizace / 210 9.9 Přehled důležitých definic a pojmů / 213 9.10 Doporučená a použitá literatura / 214 10. Biomechanika vybraných lidských tkání / 215 Lukáš Čapek, Technická univerzita v Liberci, Fakulta strojní 10.1 Zobecněný Hookův zákon – anisotropie / 216 10.1.1 Roviny / 217 10.2 Určování mechanických vlastností biologických tkání / 219 10.3 Biologie kostní tkáně / 220 10.4 Mechanické vlastnosti kostní tkáně / 222 10.5 Mechanické vlastnosti chrupavky / 223 10.6 Biologie lidské kůže / 225 10.7 Mechanické vlastnosti lidské kůže / 229 10.8 Doporučená literatura / 229 11. Samoorganizace a povaha života / 230 David Lukáš, Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní 11.1 Entropie a termodynamické systémy / 230 7

2 dil kap 1.p65

7

23.7.2008, 13:42

11.1.1 Mikrokanonický systém / 232 11.1.2 Kanonický systém / 233 11.1.3 Grandkanonický systém / 236 11.2 Platí druhá věta termodynamiky pro živé organismy? / 237 11.2.1 Disipativní struktury / 240 11.3 Modely samoorganizace / 242 11.3.1 Grebogiho evoluční funkce / 242 11.3.2 Buněčné automaty / 245 11.4 Přehled důležitých definic a pojmů / 247 11.5 Doporučená a použitá literatura / 248

8

2 dil kap 1.p65

8

23.7.2008, 13:42

P¯edmluva „Časy se mění a lidé v nich.“* Známý výrok může být parafrázován na: „Zdravotnické textilie se mění a lidé v nich.“ Uvažme, kam pokročilo lidstvo od dob starého Egypta, kdy byly používány sorpční hygienické materiály vytvořené z papyru, hadříků a trávy již v době 1500 let před naším letopočtem. V současné době jsou vyráběny důmyslně konstruované pleny a dámské hygienické potřeby s obsahem speciálních superabsorpčních polymerů uložených v sorpčním jádře překrytém akviziční vrstvou, zajišťující stejnoměrné rozvedení kapaliny. Je překvapivé, že nejsme na planetě Zemi jediní, kdo používá vláknité hygienické materiály. Při výzkumu lidoopů bylo zjištěno, že šimpanzi používají „ubrousky z listů“. Hygiena těchto lidoopů je přitom zaměřena na jejich tělesné tekutiny, jako je krev, výkaly, moč a hlen. Způsob použití „ubrousků z listů“ kolísá od jemného otírání až po energické tření (Roachová, 2008). Odtud můžeme usuzovat, že používání a vývoj zdravotnických, zejména hygienických textilií bylo významnou civilizační silou. Zdravotnické textilie jsou multidisciplinární obor vyžadující spolupráci specialistů z různých oborů: textilních odborníků, chemiků, biologů, lékařů, fyziků, konstruktérů strojů, atd. Přečteme-li si knihu (Ridley, 1996) „Původ ctnosti“ o evolučních základech a zákonitostech nesobeckého jednání člověka, dojdeme k závěru, že spolupráce v rámci jednoho živočišného druhu je vždy výhodnější než vzájemný boj. Nejlépe to vyjadřuje následující citát z Ridleyho knihy: „Synergická činnost různých specialistů je základem lidských společností a odlišuje nás od jiných společenských tvorů. Srovnatelnou specializaci nejrůznějších funkcí najdeme jen mezi buňkami, jež vytvářejí těla organismů. Červená krvinka je stejně důležitá jako jaterní buňka. Jejich součinností lze dosáhnout výsledků, na jaké by se jediná buňka nezmohla. Každý orgán, každý sval, každý zub, každý nerv a každá kost plní v rámci celku svůj závažný úkol. Žádná z našich buněk se nesnaží dělat všechno současně; díky tomu toho dokážeme víc než obyčejná hlenka. Ba co víc, dělba práce byla klíčovým krokem již při samotném vzniku života.“ Adam Smith (britský filozof, národohospodář a zakladatel klasické ekonomie; 1723–1790) si jako první uvědomil, že právě díky dělbě práce je lidská společnost víc než suma jednotlivých svých částí. Nesobecké jednání a spolupráce v rámci našeho živočišného druhu stálo jistě i u zrodu zdravotnických textilií, kdy zdraví jedinci se snažili pomoci nemocným nebo zraněným. * Tempora mutantur et nos mutamur in illis (časy se proměňují a my se měníme s nimi (v nich)). Verš středověkého původu ve sbírce H. Walthera, Proverbia sententiaque medii aevi, č. 31206.

9

2 dil kap 1.p65

9

23.7.2008, 13:42

Text této učebnice je dobrým příkladem dělby práce nejen z pohledu počtu autorů, ale také s ohledem na množství zpracovávaných témat: výroba textilních útvarů pro zdravotnické využití, materiály používané ve zdravotnictví, polymery a reakce v organismu, biokompatibilita a biologická odezva organismu, polymerní biomateriály, sterilizace pro medicínské aplikace, scaffoldy pro tkáňové inženýrství chrupavky, mechanické vlastnosti biologických tkání, samoorganizace a povaha života. Obsah učebnice postupuje od poznatků jednodušších a obecnějších k poznatkům složitějším, aby byl čtenář do problematiky uveden co nejschůdnější cestou. V závěru knihy je řešena opět problematika obecnější, avšak, jak teorie vývoje po spirále velí, na vyšší úrovni. Římský filosof L. A. Seneka doporučoval autorům knih, aby svůj rukopis odložili a kriticky se k němu vrátili až po několika letech. Takový postup u bouřlivě se rozvíjejících disciplín, ke kterým zdravotnické textilie bezesporu patří, naneštěstí není možný. Proto autoři předem děkují všem laskavým čtenářům za připomínky a poznámky, které umožní text při jeho dalším vydání zkvalitnit, upřesnit a obohatit.

DoporuËen· literatura Ridley M (1996) The origins of virtue, Penguin Books, London 1996 (české vydání: Ridley M (2000) Původ ctnosti, Portál, Edice Spektrum). Roachová M (2008) Skoro jako člověk, National Geografic Česko, duben.

10

2 dil kap 1.p65

10

23.7.2008, 13:42

1. Biotechnologie Evûen Amler, Lucie Kol·Ën·

1.1 Biotechnologie Člověk má velkou dávku fantazie, ale od přírody je tvor pohodlný. Aby nemusel měnit sám sebe, začal měnit přírodu. Její dokonalé mechanismy počal umně využívat ke svým účelům, čímž dal zrod biotechnologiím. Poté, co se vědcům podařilo odhalit geny – základní stavební jednotky života, naskytly se nové, dříve nepředstavitelné možnosti. Za zlomový lze pokládat rok 1973, kdy byl proveden první pokus přenést žabí deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) do bakterie. Od tohoto okamžiku se uskutečňují stále nové experimenty zejména v oblasti zemědělství a v současnosti i medicíny. Vbrzku se očekává široké využívání genetické analýzy pacientů a do roku 2015 se předpokládá rozšíření praktická aplikace genové terapie na léčbu až 30 procent v současnosti smrtelných chorob. Léky vzniklé na základě nových biotechnologií umožní, aby pacientům „narostly“ nové tepny, bude možné léčit mozkové nádory a zpomalit rozvoj Parkinsonovy choroby. Bioinženýrství umožní lékařům „pěstovat“ umělé orgány, budou k dispozici umělá srdce a přibližně do roku 2030 i umělé plíce. Většina chirurgických zákroků bude prováděna technikami minimálních zásahů a řadu chirurgických operací budou realizovat roboti. Vědecký pokrok způsobí, že okolo roku 2020 svět vyprodukuje za pouhé dva dny tolik výrobků, na kolik bylo v roce 1900 zapotřebí pracovat celý rok. Příprava plodin a zvířat odolných vůči nemocem pak zřejmě zbrzdí odpor veřejnosti k moderním biotechnologiím i ochabující důvěru ve vědu jako v neutrální sílu. K orientaci v množství nových biotechnologických přístupů je však třeba si nejprve přiblížit a definovat základní pojmy. Bioinženýrství je vědní obor na rozhraní věd technických a biologických. Vzniklo v důsledku metodického rozvoje biologických věd v 50. letech 20. století v USA a řešilo použití složitých přístrojů a technologií v biologických vědách. Bioinženýrství se zpočátku zabývalo konstrukcí přístrojů a technologií včetně rozvoje matematicko-kybernetických přístupů. Dnes je bioinženýrství obecněji definováno jako aplikace principů inženýrství na živé organismy. Aplikuje fyzikální, chemické nebo matematické vědy a principy inženýrství na výzkum v oblasti biologie, medicíny, chování a zdraví. Prohlubuje základní koncepce a vytváří potřebné znalosti na molekulární i vyšší úrovni a napomáhá dalšímu vývoji v oblasti biologie, materiálů, procesů, implantátů, přístrojů a informačních technologií. Podílí se 11

2 dil kap 1.p65

11

23.7.2008, 13:42

na prevenci, diagnostice a léčení nemocí, stejně jako na rehabilitaci a zlepšování zdraví. Reaguje tak na bezprostřední potřeby zdraví lidí a medicíny. Bioinženýrství zásadně mění i základní pohledy na život. Skupina Hamiltona Smithe, nositele Nobelovy ceny z roku 1978 za objev restrikčních endonukleáz, například nedávno vytvořila umělý chromosom, a demonstrovala tak v bioinženýrství virtuózní umění, jakého doposud nebylo dosaženo. Pomocí laboratorních chemických látek vědci pečlivě „sešili“ chromosom z 381 genů, které obsahují 580 000 základních párů genetického kódu. Tento řetězec DNA je založen na bakterii Mycoplasma genitalium, která byla co nejvíce zkrácena a ponechány byly jen části nutné k udržení života. Potom DNA umístili do živé buňky bakterie, která se tak stala novou formou života. Byl vytvořen základ, na kterém je možné stavět doslova vše – od nových léků a alternativních zdrojů energie až po biologickou zbraň. Právě proto je třeba konstatovat, že bioinženýrství naráží i na řadu závažných společenských problémů a zdaleka není všeobecně pozitivně přijímáno. Setkáváme se i s určitým druhem proroctví. Například kardinál Ratzinger tvrdí, že Bůh zasáhne proti nejzazším formám svévole v určitých oblastech bioinženýrství a nedopustí, aby člověk podlehl sebezničení (Joseph Ratzinger: Bůh a svět – Víra a život v naší době, 2000). Objektivně si přiznejme, že na řadu otázek konzervativní časti společnosti skutečně moderní bioinženýrství nedokáže dosud plnohodnotně odpovědět. To by však přesto nemělo bránit jeho uvážlivému rozvoji. Bioinženýrství má řadu podoborů. V počátcích jeho vývoje byla stěžejní oblastí bioinženýrství lékařská elektronika, hraniční vědní obor elektroniky a lékařství. Dnes je však pouze jeho součástí, podobně jako genetické inženýrství. Genetické inženýrství je moderní vědní disciplína, jejíž začátky jsou spojeny s genetickými objevy v 70. letech 20. století. Jako vědní disciplína je genetické inženýrství součástí genetiky. Zahrnuje manipulace s genetickým materiálem za použití genetických, molekulárně biologických a biochemických přístupů pro cílené a prospěšné změny v dědičné výbavě živých organismů, probíhající mimo pohlavní cyklus. Genetické inženýrství využívá i klonování, což je technologie, která umožňuje vytvoření populace geneticky identických kopií. Termín klon je (větvička) a tento pojem označuje geneticky idenodvozen z řeckého slova tické potomky nepohlavně odvozené z jednoho jedince. Klonování však není proces existující a používaný pouze v laboratorních podmínkách. Klony existují i zcela přirozeně v přírodě. Některé rostliny a jednobuněčné organismy, například bakterie, vytvářejí svá potomstva nepohlavním rozmnožováním. Rostliny, často množené vegetativně, se klonují již mnoho let, někdy tak činíme dokonce sami na své zahradě. Přirozené klony se vyskytují také v podobě identických dvojčat, kdy z oplozeného vajíčka vzniknou dělením dvě či více embryí s identickou DNA. 12

2 dil kap 1.p65

12

23.7.2008, 13:42

Dnes je termín klonování rozšířen a běžně spojován především s „umělým“ klonováním, tedy se získáváním identických kopií biologického materiálu – molekul, buněk, tkání, orgánů či organismů. Rozlišujeme několik odlišných typů umělého klonování: klonování genů (DNA), klonování buněk, terapeutické a reprodukční klonování. Nejjednodušším a nejběžnějším typem klonování je klonování DNA, nazývané též klonování genů nebo molekulární klonování. Jedná se o izolaci a následné vytvoření kopie segmentu DNA, často specifického genu. Amplifikován může být jakýkoli fragment DNA, nejjednodušším způsobem je „namnožení“ požadovaného úseku v rychle se dělících bakteriích, kdy je při každé replikaci bakteriální DNA zkopírována i vložená DNA. Takto vytvořené kopie mohou být použity ke studiu specifických genů či jiných fragmentů DNA. Schopnost připravit velký počet kopií určité sekvence je základem technologií rekombinantní DNA. Bakterie jsou také často využívány jako miniaturní továrny k produkci proteinů, kódovaných vloženou DNA. Touto metodou je dnes připravován například insulin i řada dalších proteinů užívaných pro výzkumné i klinické účely. Dalším běžným typem je buněčné klonování. V případě tkáňových kultur je to kultivace somatických buněk v laboratorních podmínkách. Nově vytvořené buňky, vzniklé dělením buňky původní, jsou jejími identickými kopiemi. Tento přístup dominuje v současném tkáňovém inženýrství, kdy jsou uměle připravené nosiče osídlovány odděleně kultivovanými buňkami. Je třeba též zdůraznit, že kultury rostlinných i živočišných buněk se již velmi dlouho využívají k nejrůznějším výzkumným účelům. V oblasti medicíny a farmakologie slouží například k vývoji chemoterapií, léků a vakcín a současně umožňují omezení použití pokusných zvířat. Obšírně diskutovanou na nejrůznějších fórech je metoda přenosu jader somatických buněk tzv. „somatic cell nuclear transfer – SCNT“, která spočívá v přenosu jádra izolovaného ze somatické buňky těla příjemce do enukleovaného (jádra zbaveného) oocytu dárce a vytvoření embrya. Klonovaná buňka se dále vyvíjí v blastocystu, ze které je možné připravit linii embryonálních kmenových buněk nesoucích genetickou informaci příjemce. Tyto buňky mohou být použity také pro terapeutické účely. Rozvoj metody přenosu jader podléhá etickým a zákonným omezením týkajícím se použití lidských embryí pro výzkum. Terapeutické klonování spočívá v přenosu jádra somatické buňky pacienta (SCNT) do enukleovaného vajíčka dárce. Z uměle připraveného embrya jsou generovány embryonální kmenové buňky s DNA identickou s buňkou pacienta schopné regenerovat orgány nebo tkáně. Cílem terapeutického klonování je vytvoření buněk, které přesně odpovídají potřebám pacienta. Cílem re13

2 dil kap 1.p65

13

23.7.2008, 13:42

produkčního klonování je vytvoření jedinců s genetickou informací identickou s dárcem. Po implantaci embrya do dělohy dochází k normálnímu vývoji nového jedince. Nejznámějším klonováním v oblasti zvířat bylo vytvoření ovce Dolly v roce 1996 v Roslinském ústavu ve Skotsku. Produktem genetického inženýrství může být však i jedinec s novou, v přírodě se nevyskytující kombinací dědičných znaků a vlastností, což vyvolává, a nutně i musí vyvolávat, zvýšenou pozornost společnosti. Nové znaky mohou vznikat na buněčné úrovni při hybridizaci somatických buněk in vitro jejich vzájemným spojováním, tzv. buněčnou fúzí, za tvorby životaschopných hybridních eukaryontních i prokaryontních buněk (buněčné inženýrství) nebo na molekulární úrovni lze přímo zpracovávat DNA za tvorby rekombinantních molekul s možností jejich klonování a exprese v různých hostitelích prokaryontního a eukaryontního typu (genetické inženýrství). Pokud je cílem pozměňování struktury bílkovin, hovoříme o proteinovém inženýrství. Genetické inženýrství využívá technik, které umožňují přenos genů za překonání mezidruhové a druhové bariéry. Zahrnuje úpravy DNA s cílem pozměnit dědičné vlastnosti příjemce (rekombinace in vitro); techniku přípravy rekombinantních molekul DNA biochemickými a molekulárně biologickými postupy na genové kombinace, většinou v přírodě neexistující, dále kombinace genů a regulačních oblastí DNA v novém hostiteli. Genetické inženýrství je významnou technikou založenou na možnostech reprodukovatelného specifického štěpení DNA restrikčními endonukleázami, na přesné separaci polynukleotidů s vysokou rozlišovací schopností při elektroforéze v gelech, na enzymových a chemických úpravách získaných fragmentů DNA a konečně i na možnosti jejich kovalentního spojování bez ohledu na zdroj DNA. Spojení cizorodé informace ve formě fragmentu DNA s vektorovou molekulou plasmidu, fága nebo viru umožňuje přenos exogenní DNA do buňky procesem transformace, transfekce nebo transdukce. Genetické inženýrství umožňuje izolaci, purifikaci a studium jednotlivých genů ve větším množství, jejich expresi a opětné zavedení do buňky, a tím přípravu genové banky, která je spíše genetickým materiálem individua než druhu. Tak lze studovat různé odchylky, včetně genetických onemocnění, i při nepřítomnosti nemocného. Genetické inženýrství může sloužit v praxi k přípravě specifických eukaryontních produktů (enzymů, hormonů) pomocí mikrobiologických a molekulárně biologických technik. Využití genového a proteinového inženýrství je velmi široké, od potravinářství, agrochemického a farmaceutického průmyslu, přes domácí využití v pracích prášcích až po aplikace v ochraně životního prostředí či ve vojenské sféře. Vědci manipulují s geny bakterií, rostlin a zvířat a vytvářejí nové formy života s kvalitativně novými vlastnostmi. Pro takto vzniklé formy života byl zaveden 14

2 dil kap 1.p65

14

23.7.2008, 13:42

termín geneticky modifikované organismy (GMO). GMO jsou organismy kromě člověka, jejichž dědičný materiál (DNA) byl změněn genetickou modifikací. Genetická modifikace je cílená změna dědičného materiálu organismu způsobem, kterého se nedosáhne přirozenou rekombinací, ale vnesením cizorodého dědičného materiálu do dědičného materiálu organismu nebo vyjmutím části dědičného materiálu z organismu. Práce s GMO vyžaduje zvláštní přístup a pečlivé monitorování, aby nedošlo k nekontrolovanému úniku do přírody. Přesto jsou dnes již běžně pěstovanými modifikovanými plodinami například sója, pšenice, řepka, kukuřice, rýže, mrkev, hrášek, okurky, jablka či vinné hrozny. Biomedicínské inženýrství je jako lékařská vědní disciplína další součástí bioinženýrství. Základní cíl biomedicínského inženýrství je konstrukce umělé tkáně. Tu lze vytvořit buď na základě osídlení části tkáně in vivo, nebo osídlením zcela nového nosiče buňkami příjemce in vitro. (Pozn.: In vitro, latinsky ve skle, označuje kultivaci v kontrolovaných umělých podmínkách mimo živý organismus, např. ve zkumavkách nebo v jiných laboratorních nádobách. In vivo se dá z latiny přeložit jako v živém. Označuje práci v přirozených podmínkách, v živém organismu.) Umělá tkáň by se v takovém případě vyvinula v laboratoři a do těla příjemce by se implantovala. Protože by nešlo o cizí materiál, neboť tkáň by byla osídlena vlastními buňkami příjemce, nedocházelo by k imunitní reakci, která v případě klasické transplantace od cizího dárce může být pro příjemce i osudová. Vzhledem k mikrometrovým a submikrometrovým rozměrům buněk a jejich organel je konstrukce a tvorba nosičů i jejich osídlení buňkami prací v nanometrových rozměrech. Proto nyní často hovoříme o nanomedicíně. Nanomedicínou nazýváme obecně aplikaci nanotechnologií ve zdravotní péči s cílem zlepšit terapii či diagnózu. Nanomedicína patří mezi strategické pilíře rozvoje moderní evropské společnosti. Je tomu tak proto, že otevírá dodnes netušené možnosti aplikací moderních technologií v mikrosvětě. Za jednoho ze zakladatelů nanomedicíny lze paradoxně považovat nositele Nobelovy ceny za fyziku Richarda Feynmana, který předpověděl možnost vytváření materiálů a mechanismů na úrovni atomů a molekul. Demonstroval tak jasně multioborovost nanomedicíny. Feynman tehdy naznačil obrovské aplikační možnosti „opracovaného nanosvěta“ v době, kdy již bude vyvinuta experimentální technika, která umožní manipulovat s „nano“-strukturami a měřit jejich vlastnosti. Nasměroval vývoj k nanotechnologiím jako interdisciplinární oblasti výzkumu, která zahrnuje velké množství vědních oborů. Definice pojmu „nanotechnologie“ ještě není zcela pevně ustálena. Jako první použil tohoto termínu Taniguchi v roce 1974 k popisu výrobní technologie a měřicí techniky, při kterých je možné dosáhnout přesností nanometrů. Je třeba poznamenat, že 15

2 dil kap 1.p65

15

23.7.2008, 13:42

oblast definovaná v nanometrech a zejména nové jevy, které v této oblasti pozorujeme, musíme odlišovat od rozměrové oblasti řádově mikrometrů a technologií, které se v této oblasti prosazují. V USA jsou to MEMS (microelectromechanical systems) a v Evropě mikrosystémové technologie. Dnes se termín nanotechnologie používá pro studium a aplikaci materiálů, zařízení a systémů o rozměrech řádově nanometrů. Nanotechnologie lze však definovat i obecněji jako všezahrnující popis aktivit na úrovni atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě. Nanotechnologiemi lze rovněž nazvat skupinu rozvíjejících se technologií (technologie v pevném stavu, biotechnologie, chemické technologie aj.), které metodami shora dolů (top-bottom) a zdola nahoru (bottom-up) konvergují k nanorozměrům. V současnosti sestává nanotechnologie ze čtyř hlavních oblastí: nanoelektroniky, mikroskopů pracujících s rozlišitelností v nanometrech, molekulární nanotechnologie a nanomateriálů. Nanomateriály nazýváme útvary nanometrových rozměrů využívané jako stavební jednotky s definovanými vlastnostmi (rozměr, tvar, atomová struktura, fázová rozhraní, chemické složení). Rozměry jsou limitovány v oblasti od molekul k pevným útvarům menším než 100 nm přinejmenším ve dvou dimenzích. Tyto stavební jednotky jsou zhusta uspořádané v makroskopických multi-klastrových materiálech s velmi různorodým topologickým pořádkem. Chemicky identické částice mohou být kompaktovány za vzniku zrn. Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencí nebo podložkou a mohou vytvářet nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity, keramické nebo jiné tenké filmy nebo vrstvy. Vytváří se tak kompozitní materiál pro konkrétní aplikace. Mnohé poznatky o nanosvětě lze dnes získat i pomocí počítačového modelování. Současná expanze kapacity počítačů totiž dovoluje i sofistikované simulace materiálových vlastností v nanorozměrech. Rovněž velká výpočetní střediska se zabývají modelováním procesů a struktur s cílem získat základní vědecké poznatky jevů v nanorozměrech o procesech, kterými živé organismy vytvářejí materiály či funkční komplexy, a technologicky tyto poznatky využít. V osmdesátých letech 20. století byl učiněn významný pokrok v zobrazovací technice. Byl totiž zkonstruován rastrovací tunelový mikroskop (anglicky scanning tunneling microscope, STM), mikroskop využívající atomových sil (anglicky atomic force microscope, AFM), optický rastrovací sondový mikroskop blízkého pole (anglicky near-field scanning optical microscope, NSOM) a další přístroje a metody umožňující zkoumání nanostruktur. Nové zobrazovací techniky tím umožnily dnešní bouřlivý rozvoj nanotechnologií a nových přístupů k nauce o materiálech a materiálovém inženýrství. Mohly se plně rozběhnout výzkumy v oblasti ultrajemné mechaniky s cílem dosáhnout téměř dokonalého 16

2 dil kap 1.p65

16

23.7.2008, 13:42

opracování materiálů. Začala příprava uhlíkových nanotrubic, proteinů, DNA, jednoelektronových tranzistorů, ale i prášků a vrstev o rozměrech nanometrů. Racionální vytváření a integrace materiálů a zařízení v nanorozměrech ohlašuje novou vědeckou a technickou revoluci za podmínky, že objevíme a plně využijeme nám dosud neznámé souvislosti. Výzkum nanotechnologií a nanomateriálů se tak stal obrovskou výzvou vědeckým a výzkumným pracovníkům a jejich úsilí směřující k miniaturizaci nabývá stále větších rozměrů. Jednoznačně již bylo prokázáno, že rozměrová oblast 1–100 nm, dříve v podstatě opomíjená, obsahuje klíč k řešení mnoha specifických problémů v nejrůznějších oborech vědy a techniky i každodenního života. I jednoduché částice iontových sloučenin nebo izolátory, jako jsou např. NaCl, MgO, CaF2 nebo TiO2, získávají se zmenšujícími se rozměry unikátní vlastnosti. Rovněž představa, že nanočástice mohou mít povrchovou plochu i 500 m2/g, je fascinující a evokuje netušené možnosti. Další perspektivy se objevují v oboru molekulárního inženýrství v boji proti nemocem a ve farmakologii. Vědci objevují možnosti samosestavování základních kamenů hmoty (anglicky self-assembly) s cílem vytváření struktur chemickou syntézou, podle vzoru biologických procesů samouspořádávání. Vznikají nové obory, jako extrémní nanotechnologie (self-assembly, molekulární manipulace, jednomolekulová zařízení a supramolekulové systémy), nanostrukturní materiály (nanokompozity, fullereny, nanotrubice, tenké filmy, fotonická krystalová vlákna a mřížky), funkční nanotechnologie (nanoelektronika/bioelektronika, dodávání léků), molekulární nanotechnologie (biologické molekuly, membrány, identifikace molekul, senzory). Důležitou charakteristikou nanotechnologií je urychlený přechod mezi základním výzkumem a aplikačním výstupem. Některé objevy, např. objev obří magnetické rezistence ve vrstvách rozměru nanometrů (1988), vedl již za osm let k praktickému využití jevu při konstrukci harddisků nové generace. Intenzivně se pracuje na objasnění biologických principů podstatných pro vývoj a implementaci nanostrukturních materiálů pro použití v nanomedicíně. Nanosenzory implantované do lidského těla mohou například indikovat, kdy diabetik potřebuje svoji dávku insulinu, nebo senzory zabudované do náramkových hodinek mohou detegovat nebezpečné množství škodlivých plynů v ovzduší, a mohou tak upozornit na možný astmatický záchvat. Jsme tudíž svědky nástupu nanobiotechnologie, která se soustřeďuje na pokrokové nosiče léků a další oblasti integrace nanosystémů s biologickými entitami, zpracování, manipulaci a detekci biologických molekul či komplexů, elektronickou detekci biologických entit, mikrofluiditu, podporu a řízení růstu buněk na substrátech. Přes veškerá pozitiva a úspěchy však lze současnou úroveň poznatků, postupů a technologií v oblasti nanotechnologií přirovnat k situaci v elektronice, 17

2 dil kap 1.p65

17

23.7.2008, 13:42

výpočetní technice a telekomunikacích v polovině minulého století, krátce po vynálezu tranzistoru. Podstatným zákonitostem, kterými se řídí fyzikální, chemické, biologické a jiné procesy v nanorozměrech, a výběru vhodných přiblížení pro jejich popis začínáme rozumět až nyní. Vlastnosti hmoty v „nano“měřítku nejsou totiž vždy předvídatelné na základě zkoumání ve větších rozměrech. Významné změny chování materiálů jsou způsobeny nejen plynulou modifikací jejich charakteristických vlastností se zmenšujícími se rozměry, ale působením jevů, jako jsou například jevy kvantové či převažující vliv jevů povrchových. Jakmile bude možné řídit rozměry a tvar nanostruktur, bude rovněž možné zlepšit materiálové vlastnosti a účinnost zařízení za hranice ležící zatím mimo naše představy. To je předpokladem pro rozvoj buněčných nosičů, tedy struktur, které v submikrometrové a nanometrové oblasti umožní adhezi a proliferaci buněk. Kvalitní buněčné nosiče (anglicky scaffold) jsou základním předpokladem pro rozvoj moderního tkáňového inženýrství.

1.2 Tk·ÚovÈ inûen˝rstvÌ Tkáňové inženýrství je interdisciplinární obor, který aplikuje zákonitosti a metody inženýrství a přírodních věd na vývoj biologických náhrad sloužících k obnově, zachování nebo zlepšení funkcí tkání. Zabývá se vývojem a využitím arteficiálně připravených molekul, buněk, tkání a orgánů k obnově nebo náhradě defektní nebo poraněné části těla. V současnosti sledujeme jeho rychlý pokrok zejména v souvislosti s výzkumem kmenových buněk, který vedl dokonce ke vzniku nového oboru nazývaného regenerativní či reparativní medicína. Rozvoj tkáňového inženýrství byl v počátcích podmíněn nedostatkem orgánů vhodných pro transplantaci a nutností imunosuprese pacienta podrobujícího se transplantaci. Vizí, či dnes dokonce alternativou je vytváření tkání či celých orgánů z buněk na vhodném nosiči. Úspěchů bylo již dosaženo při vývoji arteficiální chrupavky, kosti, kůže, šlachy, vazů, močové trubice a močového měchýře, tkáně pohlavních orgánů, ledviny, svalů, cév, rohovky, střeva, kloubů, ledviny, slinné žlázy i nervů. Proces transformace laboratorně připravené tkáně do klinické praxe však zatím trvá poměrně dlouho, lze hovořit i o deseti- až dvacetileté prodlevě. Některé však již byly aplikovány v humánní medicíně. K vytvoření kvalitní tkáňové náhrady je nutné aplikovat vysoce sofistikovaný biologický přístup a kultivaci buněk na biokompatibilním nosiči. Existuje i tzv. bezbuněčný přístup využívající samotných nosičů, většinou připravených odstraněním buněčné složky tkání mechanickými a chemickými prostředky. Podstatně častějším přístupem je však kombinace izolovaných buněk a vhod18

2 dil kap 1.p65

18

23.7.2008, 13:42

ného nosiče. Celý proces přípravy arteficiální tkáně se skládá z přípravy vhodného nosiče, biopsie tkáně, izolace buněk, kultivace (proliferace) buněk, osídlování nosiče buňkami a implantace štěpu. Volba buněk vhodných pro konkrétní aplikaci je klíčovou podmínkou pro úspěšnou léčbu. Primárním zdrojem může být pacientova vlastní zdravá tkáň – tedy buňky autologní, jejichž aplikace není spojena s rizikem odmítnutí imunitním systémem. Pojem autologní všeobecně označuje pocházející ze stejného jedince (v případě tkáňového inženýrství sem patří buňky diferencované, progenitorové a buněčné linie odvozené z buněk kmenových), tedy shodný dárce i příjemce. V řadě případů však není možné tyto buňky izolovat, případně expandovat v dostatečném množství. Alternativním řešením v takovém případě jsou buňky pocházející od donorů stejného nebo jiného druhu, což je však spojeno s nebezpečím jejich odmítnutí imunitním systémem příjemce. Buňky pocházející z různých jedinců stejného druhu, tedy například z člověka, se nazývají allogenní. Geny se liší alespoň na jednom lokusu. Heterologní či xenogenní buňky pocházející z jedince jiného druhu, tedy různý druh dárce a příjemce, například prase – člověk. Jedním ze žhavých aktuálních témat současného tkáňového inženýrství je vývoj vhodných biokompatibilních nosičů a postupy pro přípravu tkání a orgánů. Nosiče mohou mít nejrůznější charakter. Používají se materiály přírodní, syntetické nebo jejich kombinace. Přírodní materiály vykazují dobrou biokompatibilitu, jsou biodegradabilní a mají přirozená vazebná místa pro buňky. Problémem bývá přesná reprodukovatelnost jejich vlastností při opakované přípravě. Syntetické nosiče naopak mívají přesně definované složení a vlastnosti, které můžeme v průběhu přípravy ovlivňovat a měnit v souladu s požadavky konkrétní aplikace (na nosiče pro arteficiální chrupavky jsou samozřejmě kladeny jiné požadavky než na nosiče pro přípravu kostí nebo cév). Velkou předností syntetických nosičů je možnost inkorporace látek ovlivňujících proliferaci a diferenciaci buněk a dalších substancí. Nosiče mívají nejrůznější podobu. Může se jednat například o gely, hydrogely, pěny, houby, tkané i netkané textilie; moderní přístup představují nosiče na bázi nanovláken. Pro zlepšení jejich vlastností často používáme kombinaci řady výrobních postupů a materiálů. Uveďme alespoň několik možností přípravy. Mezi netextilní technologie (anglicky nontextile technologies) patří vylučování solí – rozpouštědla (anglicky solvent-casting particulate-leaching; leaching method), rozdělování fází (anglicky phase separation), formování taveniny (anglicky melt moulding), trojrozměrný tisk (anglicky three-dimensional printing; 3D printing), sublimační sušení – lyofilizace (anglicky freeze-drying), lyofilizace emulzí (anglicky mulsion freezedrying), plynové zpěňování (anglicky gas foaming) či metoda rychlého mode19

2 dil kap 1.p65

19

23.7.2008, 13:42

lování (anglicky rapid prototyping), používá se i výše zmíněná samoorganizace (anglicky self-assembly). Široké uplatnění nacházejí i technologie textilní (anglicky textile technologies), mezi které se řadí metoda pojení vláken (anglicky fibre meshes; fibre bonding methods), zvlákňování za mokra (anglicky wet laid technology) a elektrostatické zvlákňování (anglicky electrospinning), technologie výroby netkaných textilií (anglicky nonwoven manufacture), tkaní (anglicky weaving), pletení (anglicky knitting), vyšívání (anglicky embroidery). Často se používají kompozitní materiály (anglicky composite materials). Je zřejmé, že nosič musí podporovat tvorbu nové tkáně, a proto je na něj kladena celá řada požadavků. V zásadě je lze rozdělit na skupinu požadavků biologických, což bylo prioritou prvního dílu těchto skript, a na strukturní či technické požadavky, o kterých je pojednáno v tomto druhém dílu.

20

2 dil kap 1.p65

20

23.7.2008, 13:42

2. Textilie pro zdravotnictvÌ Kate¯ina VodseÔ·lkov· Původ slova TEXTIL se odvozuje z latinského „textilis“, což znamená tkaný. Výroba textilu patří k nejstarším lidským dovednostem a její počátky lze hledat v šerém dávnověku. Předpokládá se, že se pravěký člověk chránil proti nepřízni počasí a chladu zvířecí kůží, až posléze poznal, jak z chlupů zhotovit nit či provázek k sešívání kůží. Splstěné a spletené rouno muflona vytvářelo jakousi plošnou textilii, až se konečně kdesi v Indii či Egyptě objevila tkanina. Rukodělná výroba textilu se na principech objevených v pravěku udržela minimálně po dlouhých 5000 let, a to až do počátků průmyslové revoluce, kdy se přenesla ruční výroba přízí a tkanin z vesnic do továren. Nastala mechanizace tohoto odvětví, a tím i expanze textilního průmyslu. Použití textilií v medicíně využívá v plné míře specifických vlastností textilií, jako je pevnost, poddajnost, tvarovatelnost, pružnost, prodyšnost pro plyny a propustnost pro kapaliny. Pro medicínské aplikace se poměrně jednoduše dodávají speciální vlastnosti formou vazby aktivních látek ve vláknech nebo na povrchu textilií. Použití textilií sahá od oděvních textilií pro nemocniční personál, ložního prádla, chirurgických šicích nití a obvazů přes bariérové textilie, laminované a sendvičové struktury až ke složitým kompozitním strukturám pro náhradu lidských orgánů, kostí a kůže.

2.1 Poûadavky na zdravotnickÈ textilie Mezi speciální požadavky na zdravotnické textilie patří: • nejedovatost textilií a nejedovatost produktů jejich případného rozkladu, • neschopnost vyvolávat alergické reakce, resp. podporovat vznik maligního bujení buněk (rakovina), • možnost sterilizace bez zhoršení mechanických a dalších vlastností.

2.2 Typy zdravotnick˝ch prost¯edk˘ Zdravotnické prostředky se rozdělují do čtyř základních skupin. 21

2 dil kap 2_3.p65

21

23.7.2008, 13:43

2.2.1 NeimplantaËnÌ materi·ly Neimplantační materiály, jako jsou obvazy, bandáže, gáza, vata, absorpční vložky, náplasti a ortézy, vyrobené z bavlny, viskózy, alginátů, polypropylenu (POP), kyseliny polymléčné (PLA) a polyesteru (PES). Tyto materiály jsou určeny k externímu použití a mohou nebo nemusí přicházet do kontaktu s lidským tělem. Některé materiály mají absorbovat kapaliny a některé odpuzovat. Schopnost absorpce mají mít především obvazy, utěrky a osušky. Tato schopnost souvisí s • rychlostí absorpce kapaliny • absorpční kapacitou materiálu • retencí kapaliny pod tlakem • rychlostí vzlínání • a smáčivostí. Neimplantační materiály se dále rozdělují na primární a sekundární. Primární materiály, jako jsou absorpční polštářky a kontaktní vrstvy obvazů, mají za úkol především ochranu proti infekci a absorpci krve, respektive tělních tekutin. S výhodou mohou také přispívat k procesu hojení ran jako nosiče pro místní léčbu, absorbenty zápachu a látky udržující podmínky pro hojení. Požadavky na primární materiály jsou potřebná kapacita pro absorpci kapalin, omezená možnost transportu vlhkosti, neuvolňování vlákenných ani jiných částic a slabé lpění na zhojené kůži. Typickým zástupcem primárních materiálů je gáza, která se používá zejména na popáleniny a opařeniny. Jde o řídkou bavlněnou tkaninu potaženou často parafinovým voskem. Při chirurgických operacích se používá gáza pro odsávání krve, kdy se požaduje vysoká absorpční schopnost. V těchto aplikacích se místo voskování provádí značení vláken pomocí síranu barnatého, aby bylo možno gázu identifikovat rentgenovými paprsky.

Obr. 2.1: G·za je typick˝m z·stupcem prim·rnÌch materi·l˘ [P¯evzato: http://www.i-lekarna.net] 22

2 dil kap 2_3.p65

22

23.7.2008, 13:43

Sekundární materiály mají absorpční kapacitu, pružnost, hřejivost a případně nepropustnost pro kapaliny. Řada obvazů a ortopedických vycpávek se konstruuje zejména pro upevnění materiálů, které jsou v přímém kontaktu se zraněním. Dále pak pro stabilizaci polohy části lidského těla a vyvolání dostatečného tlaku (tlaková terapie).

Obr. 2.2: JednÌm ze z·stupc˘ sekund·rnÌch materi·l˘ jsou band·ûe a ortÈzy [P¯evzato: http://www.zdravionline.cz]

2.2.2 ImplantaËnÌ materi·ly Implantační materiály zahrnují chirurgické šicí nitě, žilní transplantáty, umělé klouby, kosti, vazy, artérie a kůže. Tyto materiály bývají vyrobeny z PLA, PES, polytetrafluorethylenu (PTFE), polyamidu, kolagenu nebo přírodního hedvábí a používají se jako náhrady částí lidského těla, spojovací materiály, náhrady šlach, chrupavek a kůže. Základním požadavkem na tyto materiály je jejich biokompatibilita. O úspěchu implantace rozhoduje do jisté míry také biodegradabilita vláken. Pro zajištění prorůstání implantátů novou tkání je potřebná dostatečná porozita těchto materiálů. Implantační materiály by se daly rozdělit do tří základních skupin. Standardní implantační materiály, mezi které patří chirurgické šicí nitě, náhrady šlach, měkké a tvrdé chrupavky. Šicí nitě jsou buď vyráběny jako monofilové (z jednoho vlákna), nebo multifilové (více vláken ve svazku). Biodegradabilní jsou na bázi kolagenu, polyglikolidů a polylaktonů. Biologicky nedegradabilní jsou šicí nitě z polyamidu, polyesteru a polypropylenu. Náhrady šlach jsou tkané nebo ovíjené pásky potažené silikonovou pryskyřicí. Jako materiál na výrobu těchto šlach se volí především polytetrafluorethylenová, polyesterová a polyamidová vlákna nebo přírodní hedvábí. Měkké chrupavky jsou vyrobeny z polyethylenové netkané textilie. Pro tvrdé chrupavky se používá kompozitních struktur zesílených uhlíkovými vlákny. 23

2 dil kap 2_3.p65

23

23.7.2008, 13:43

Ortopedické implantační materiály, mezi které se řadí umělé klouby a kosti, jsou kompozity vyztužené vlákny, z důvodu docílení jak biokompatibility, tak i dostatečné pevnosti. Pro zajištění růstu tkaní kolem implantátu se na jejich povrchu upevňuje netkaná spleť s obsahem uhlíkových nebo teflonových vláken. Zajímavou variantou jsou struktury na bázi poly-D,L laktidmetanu zesíleného kyselinou polyglykolovou. Tento materiál je formovatelný při 60 °C, a lze ho tedy upravovat přímo na operačním sále. Žilní implantační materiály, mezi které patří pletené trubičky z polyesteru nebo polytetrafluorethylenu. Polyesterové implantáty se často fixují do obloučkovitého tvaru, takže jsou snadno tvarově přizpůsobitelné při zachování kruhovitosti. Pro omezení porozity pletených žilních implantátů se používá buď tkanin, nebo impregnace kolagenem. Tyto impregnáty se zhruba po 14 dnech rozloží a umožní zapouzdření.

Obr. 2.3: Pleten· ûilnÌ n·hrada [P¯evzato: www.vup.cz]

2.2.3 Prost¯edky pro hygienu a zdravotnÌ pÈËi Prostředky pro hygienu a zdravotní péči, jako jsou chirurgické oděvy, roušky, medicínské uniformy, krytí, závěsy, lůžkoviny, ochranné oděvy a pomocné textilie, se nejčastěji zhotovují z bavlny, PES, POP a viskózy. Výrobou a použitím zmiňovaných výrobků se bude podrobněji zabývat následující kapitola.

Obr. 2.4: OperaËnÌ masky a pl·ötÏ [P¯evzato: http://www.lohmann-rauscher.cz]

24

2 dil kap 2_3.p65

24

23.7.2008, 13:43

2.2.4 MimotÏlnÌ prost¯edky Mimotělní prostředky jsou mechanické orgány, které slouží k čištění krve. Mezi mimotělní prostředky se řadí umělé ledviny, umělá játra a mechanické plíce, které bývají zhotoveny z dutých vláken viskózy, POP a PES. Umělá ledvina má přefiltrovat a doplnit plasmu. První umělá ledvina byla v České republice použita v roce 1955. Používá se buď polopropustných membrán, nebo svazků dutých vláken na bázi polyesteru nebo viskózových vláken (regenerovaná celulóza). Je možné využít také vícevrstvého filtru, kde v každé vrstvě je jiná hustota zaplnění. Pomocí umělé ledviny probíhá proces zvaný dialýza. Při dialýze jsou z těla odstraněny odpady metabolismu, které jsou u zdravého člověka odstraňovány pomocí ledvin. Tento proces není léčbou, neboť nemocné ledviny nijak neléčí, ale bezprostředně život zachraňující výkon, bez něhož by člověk s nefunkčními ledvinami zemřel. Princip dialýzy je založen na polopropustné membráně. Na jedné straně této membrány protéká krev, na druhé je dialyzační roztok. Látky s rozdílnou koncentrací v krvi a v roztoku přecházejí z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací. Škodlivé látky obsažené v krvi, které však nejsou v dialyzátu, postupně přecházejí z krve do dialyzačního roztoku. Bohužel obdobně se přeskupují i látky prospěšné (jako vitamíny nebo aminokyseliny). Látky,

vstup dialyzaËnÌho roztoku vystupujÌcÌ krev

Dialyz·tor

v˝stup dialyzaËnÌho roztoku vstupujÌcÌ krev

Dut· vl·kna z dialyzaËnÌ membr·ny KrevnÌ Ë·st DialyzaËnÌ Ë·st vstupujÌcÌ krev DialyzaËnÌ roztok

pÛry v membr·nÏ vystupujÌcÌ oËiötÏn· krev

Obr. 2.5: SchÈma dialyzaËnÌ jednotky [P¯evzato: http://alife.tuke.sk] 25

2 dil kap 2_3.p65

25

23.7.2008, 13:43

které se při dialýze nesmějí z těla odstranit (sole, vápník atd.), musejí být proto přítomny i v dialyzátu. Všechny takové látky však do dialyzátu přidat nelze (například zmíněné vitamíny a aminokyseliny), a tak je pacient musí nahrazovat klasickou cestou, v potravě (doporučuje se během dialýzy jíst), popřípadě v tabletách. Dialyzát pak naopak nesmí obsahovat jiné cizorodé látky, které by přešly opačně z dialyzátu do krve. Z tohoto důvodu se k míchání roztoku používá absolutně čistá voda vyčištěná pomocí mechanických filtrů a reverzní osmózy. Umělá játra mají za úkol očišťovat krev od jaterních zplodin (toxinů) přes mimotělní oběh. Podobně jako u umělé ledviny se používá dutých vláken, respektive speciálních filtrů. První umělá játra byla v České republice použita v roce 2005 v brněnském Centru kardiovaskulární a transplantační chirurgie. Mechanické plíce mají umožnit odstranění CO2 z krve a její okysličení. Používá se mikroporézních membrán nebo svazků dutých vláken z polypropylenu nebo silikonů. Na rozdíl od předchozích orgánů se zde požaduje vysoká propustnost vzduchu (prodyšnost), ale nízká propustnost pro kapaliny.

Cross-Section

200 µm

Fiber Lumen

Microporous Fiber Wall

1 µm

Obr. 2.6: MikroporÈznÌ membr·na z†dut˝ch vl·ken, pouûÌvan· v†umÏl˝ch plicÌch

2.3 P¯ehled d˘leûit˝ch pojm˘ a definic Biodegradabilita je specifická vlastnost daného materiálu, která definuje jeho kompletní biologickou rozložitelnost. Biokompatibilita je schopnost implantovaného materiálu nevyvolávat nepříznivé záněty nebo odezvu imunity. 26

2 dil kap 2_3.p65

26

23.7.2008, 13:43

Osmóza je samovolný přechod molekul rozpouštědla přes polopropustnou membránu ze zředěnějšího roztoku nebo čistého rozpouštědla do roztoku koncentrovanějšího. Reverzní osmóza je proces, který dovoluje transport rozpouštědla membránou, zatímco rozpuštěné soli a nízkomolekulární složky zachycuje. Proces je založen na aplikaci vnějšího tlaku ze strany koncentrovanějšího roztoku, což způsobí obrácení přirozeného jevu osmózy.

2.4 Pouûit· literatura Dostálová M, Křivánková M (2004) Základy textilní a oděvní výroby, Liberec. Horrock A, Anand S (2004) Handbook of Technical Textiles, The Textile Institute. www.znovu.cz/sdat/cojedi.htm dialýza [Online:12. 1. 2008] www.ft.vslib.cz/depart/ktm [Online:6. 3. 2008]

27

2 dil kap 2_3.p65

27

23.7.2008, 13:43

3. VybranÈ metody v˝roby dÈlkov˝ch a ploön˝ch textilnÌch ˙tvar˘ pro zdravotnickÈ vyuûitÌ Kate¯ina VodseÔ·lkov·

3.1 Vl·kna pouûÌvan· ve zdravotnictvÌ Vlákno je délková textilie, jejíž délka řádově převyšuje tloušťku, a je základním stavebním prvkem textilií. Vlákna mohou být buď spřadatelná, jejichž délka je větší než 10 mm, dále jsou to pak vlákna nekonečná, jejichž délka je velmi velká (např. 1000 mm), jinak se též nazývají hedvábí nebo nespřadatelná, která jsou kratší než 10 mm. Vlákna používaná k medicínským účelům jsou biodegradabilní chemická či přírodní vlákna, která se v těle vstřebávají nebo rozkládají.

3.1.1 Chemick· vl·kna Chemická vlákna jsou definována jako textilní vlákna získaná chemickou cestou. Z výše uvedeného rozdělení vláken je patrné, že chemická vlákna se vyrábějí • z přírodních polymerů • ze syntetických polymerů. Vlákna z přírodních polymerů jsou vytvořená uměle modifikací přírodních polymerů. Nejčastějším přírodním polymerem využívaným pro účely výroby chemických vláken z přírodních polymerů je celulóza. Pak hovoříme o vláknech • z regenerované celulózy, kde podstatou těchto vláken je čistá celulóza a vlákna mají vlastnosti podobné přírodním vláknům celulózovým, ovšem modifikovaným vzhledem k procesu přetváření celulózových řetězců. Mezi vlákna z regenerované celulózy patří vlákna viskózová, měďnatoamonná a vlákna nitrátová. Podrobněji budou zmíněna pouze vlákna viskózová. • z derivátů celulózy, kde jsou vlákna složena z derivátů celulózy (zejména z acetylcelulózy). Vlastnosti těchto vláken jsou odlišné od vláken z regenerované celulózy. Vlákna jsou např. termoplastická a méně navlhavá. Mezi 28

2 dil kap 2_3.p65

28

23.7.2008, 13:43

vlákna z derivátů celulózy patří vlákna acetátová, semidiacetátová a vlákna diacetátová. Viskózová vlákna tvoří 80 % chemických vláken z přírodních polymerů. Jsou laciná, ale jejich základní nevýhodou je ekologicky neúnosný způsob výroby. Viskózová vlákna prošla dlouhým vývojem, jak o tom svědčí i dobové názvy jako buničina, buna, buničitá vlna, atd. Z hlediska vývoje viskózových vláken hovoříme o vláknech standardních, vláknech II. a III. generace. Různé generace vláken mají vylepšené vlastnosti. Jako surovina pro výrobu viskózových vláken se používá smrkové nebo bukové dřevo. Výroba může být buď kontinuální nebo diskontinuální. Dřevo se mletím převádí na celulózovou drť (štěpky). Na takto připravenou drť se působí roztokem hydroxidu sodného (NaOH) a vzniká alkalicelulóza. Tento proces se označuje jako zrání. cel - ONa + H2O cel - OH + NaOH Zráním se zkracuje původně dlouhý řetězec celulózy. Zráním se rozumí působení 17% roztoku NaOH při 20 °C po dobu 60 minut, nebo 2–3 hodiny urychleně při 70 °C. Po zrání nastává proces označovaný jako xantogenace, což je působení sirouhlíku CS2 a z alkalicelulózy vzniká xantogenát celulózy. Xantogenát celulózy je nažloutlá kyprá hmota, která se rozpouští ve zředěném NaOH, a tím vzniká roztok zvaný viskóza. Viskóza je viskózní zlatavohnědý roztok, podobný medu. Viskóza se dále filtruje, odvzdušňuje a je tak připravena ke zvlákňování. Zvlákňování se děje způsobem z roztoku do srážecí (koagulační) lázně, kde je přítomna H2SO4, ZnSO4 a NaSO4. Při koagulaci dochází k uvolňování CS2 a odtahem vláken od zvlákňovacích trysek také k podtlaku uvnitř tělesa vlákna. To má za následek zborcení původně kruhového průřezu vlákna na typický obláčkovitý tvar. Současně se zvlákňováním dochází i ke dloužení vláken, při kterém dochází k růstu orientace a pevnosti vláken.

Obr. 3.1: Vl·kna viskÛzy majÌ pod mikroskopem tvar r˝hovanÈ tyËinky 29

2 dil kap 2_3.p65

29

23.7.2008, 13:43

Chování viskózových vláken je blízké bavlně. Základní rozdíl chování viskózových vláken oproti bavlně je, že vlákna jsou málo odolná vůči alkáliím (i v opakovanému praní). Vlivem světla dochází k poklesu pevnosti. Po delší době působení světla dochází k velmi nepatrné změně barvy. Vysoké pevnosti vláken se dosahuje zvyšováním stupně dloužení průtahem v lázni zpomalující koagulaci (slabě kyselá lázeň za horka). Od r. 1935 se takto vyrábí materiál Tenasco. Vlákna Tenasco již nemají charakteristický ledvinovitý průřez viskózy, ale spíše oválný tvar podobný hedvábí. V rámci přípravy zvlákňovacího roztoku je možné přidat do vláken řadu aditiv. Geometrii vláken je možné ovlivňovat podmínkami koagulace a tvarem trysek. To vše se používá při přípravě modifikovaných vláken. Základní typy modifikací jsou a) barvení ve hmotě přidáváním barevných pigmentů do roztoku viskózy b) snížená hořlavost přidáváním vhodných aditiv c) zesítěná vlákna (formaldehyd HCHO) d) roubovaná vlákna e) acetylovaná vlákna (na povrchu) – méně hygroskopická a odolnější v ohybu. Trendem v dnešní době je používání speciálních rozpouštědel a z toho plynoucí cílené řízení mikrostruktury vláken. Dalším z trendů je geometrická modifikace vláken, při které vznikají dutá a profilovaná vlákna. Dutá vlákna nacházejí uplatnění v případě umělých ledvin. Z chemických vláken ze syntetických polymerů jsou používaná především polyesterová (PES), polyakrilonitrylová (PAN), polyvinylalkoholová (PVA), polyamidová (PA) a polypropylenová (PP) vlákna. Ve speciálních případech se používají také vlákna skleněná, uhlíková, alginátová, kolagenová, chitinová, chitosanová a řada dalších. Výrobou a použitím těchto vláken se budou zabývat samostatné kapitoly.

3.1.2 P¯ÌrodnÌ vl·kna Přírodní vlákna se dělí dle původu na vlákna živočišná, rostlinná a minerální. Získávají se ze srsti zvířat, semen, z listů, plodů a stonků. Mezi nejčastěji používané přírodní vlákno ve zdravotnictví se řadí bavlna a přírodní hedvábí. Bavlna je nejdůležitější ze všech plodin pěstovaných pro výrobu textilního vlákna. Vlákna se získávají z plodu keře bavlníku. Bavlněná vlákna jsou přítomna ve více než 50 % dnes vyráběných textilií. Kultivace bavlny měla výrazný ekonomický dopad již od doby, kdy byla bavlna poprvé domestikována před 30

2 dil kap 2_3.p65

30

23.7.2008, 13:43

přibližně 5000 (možná i 10 000) lety. V Evropě byla bavlna neznámá až do pozdního středověku. V době průmyslové revoluce se však bavlna stala díky svým fyzikálním vlastnostem velmi důležitou pro textilní průmysl a koncem 19. století představovala přibližně 80 % objemu všech textilních materiálů. V dnešní době si bavlna sice uchovává svoje postavení jako nejvýznamnější zdroj přírodního vlákna, ale její význam byl do značné míry nahlodán vlákny syntetickými. Na dnešní produkci textilií se bavlna podílí zhruba 40 %.

Obr. 3.2: BavlnÌk [P¯evzato: http://www.diochi.cz] Bavlna má dobrou pevnost v tahu (245–373 mN/tex) a v oděru, která se za mokra dokonce asi o 20 % zvyšuje. Proto se používá s výhodou zejména na výrobky, které jsou v tom směru namáhány a musí se často prát. Výrobky mají příjemný omak a mohou sát značné množství vlhkosti, například potu. Jeden z hlavních důvodů vysoké spotřeby bavlny ve světě je velmi výhodný poměr celkových užitných vlastností k ceně produktů. K nevýhodám patří, že se výrobky z bavlny snadno mačkají, žmolkují a jen omezeně chrání proti chladu. Pro výrobce příze je z jakostních ukazatelů nejdůležitější délka neboli stapl vláken a stejnoměrnost staplu. U většiny druhů bavlny platí, že delší vlákna jsou jemnější a i relativně pevnější. Z těch se pak mohou vypřádat jemnější a hodnotnější příze. K hodnocení jakosti patří dále obsah nečistot a nezralých vláken v surovině. Přírodní hedvábí se získává z výměšků housenky bource morušového. Je to jediné „nekonečné“ přírodní textilní vlákno. V Číně se používalo hedvábí již asi před 5000 lety na struny a rybářská lana, do Evropy se dostalo teprve před 1500 lety. Čína ovládá i v současné době podstatnou část výroby a obchodu s tímto zbožím. Mimo výměšku bource morušového se k textilnímu zpracování hodí takzvaná planá hedvábí (asi 5–10 % celkového množství), z nichž nejznámější je tussah. Housenka tohoto druhu se živí hlavně dubovým listím, vlákno se získává z kokonu po vylíhnutí motýla. Odklížené přírodní hedvábí má bílou 31

2 dil kap 2_3.p65

31

23.7.2008, 13:43

barvu, zvláštní lesk, měkký omak a dá se snadno barvit. Tussah je hrubší, hnědé nebo žlutozelené vlákno, má tvrdší omak a je téměř bez lesku. Kokon bource morušového obsahuje až 4000 metrů vlákna obaleného a navzájem slepeného sericinem (druh klihu). Sericin změkne v horké vodě, vlákna z 5–6 zámotků se spojí dohromady a při smotávání na viják se chladnoucím sericinem znovu slepují. Nejdříve se odmotá z každého kokonu 500–1000 metrů vnější vrstvy obsahující méněcenné vlákno, které se později zpracovává na takzvanou buretovou přízi. Hranice výpředu je asi 167tex, výrobky jsou málo stejnoměrné a nopkovité. Prostřední část kokonu, asi 1000 m v jednom kuse, je nejkvalitnější vlákno zvané gréž. Gréž obsahuje ještě až 30 % sericinu. Teprve po jeho odklížení v louhu dostane vlákno správný lesk a ohebnost. Z důvodu nahrazení úbytku váhy po odstranění sericinu a z důvodu lepší následné zpracovatelnosti se vlákno napouští různými solemi. Gréž se zpracovává ve tkalcovně jako jednoduchá příze z 8–10 vláken s velmi nízkým zákrutem v jemnosti až 10tex nebo se z ní vyrábí skané příze. Z vnitřku kokonu zůstane asi 2000 metrů útržků 20–40 cm dlouhých. Z těch se vyrábí šapové příze až do jemnosti 25tex.

Obr. 3.3: Bourec moruöov˝ [P¯evzato: http://www.priroda.cz] Přírodní hedvábí může při použití na textilní výrobky konkurovat umělým vláknům jen tam, kde se vyžaduje zvláštní vzhled (např. lesk), efekt nebo určitá exkluzivita spolu se solidními užitnými vlastnostmi, jako je tažnost, ohebnost, lehkost a izolační schopnosti. Jsou to zejména speciální šicí nitě, skané příze na ruční pletení a módní zboží.

3.2 Tkaniny Tkanina je plošná textilie vytvořená ze dvou vzájemně kolmých soustav nití, osnovy a útku, navzájem provázaných vazbou tkaniny. Podélná soustava nití se nazývá osnova. Příčná soustava nití útek. Každé překřížení osnovní 32

2 dil kap 2_3.p65

32

23.7.2008, 13:43

a útkové nitě se nazývá vazný bod. Pokud je osnovní nit nad útkovou, jedná se o osnovní vazný bod. Pokud je útková nit nad osnovní, jedná se o útkový vazný bod. Způsob vzájemného provázání osnovních a útkových nití nazýváme vazba tkaniny.

3.2.1 Z·kladnÌ vazby tkanin Správná volba vazby tkaniny je velmi důležitá. Vytváří nejen vlastní tkaninu, ale dodává tkanině určité vlastnosti, jako je pevnost, tuhost, vzhled, omak a jiné. Volba vazby tkaniny záleží také na zpracovávaném materiálu a na dalším použití tkaniny. Základní vazby tkaniny jsou plátnová, keprová a atlasová vazba. Plátnová vazba je nejjednodušší a nejhustěji provazovaný typ vazby. Samotné označení „plátno“, pokud se někde vyskytuje, se zpravidla vztahuje k typu vazby, nikoli přímo k materiálu tkaniny. Tato nejstarší a nejjednodušší vazba je doložena již v neolitu, ale již tehdy bývaly tyto plátnové vazby někdy doplňovány o složitě tkané okraje (La Baume). Hustota plátnové vazby může být různá a je dána poměrem tloušťky nití k dostavě v obou soustavách (útkové i osnovní). Na levnější plátna určená např. na hrubší části oděvů nebyla tloušťka nití nijak zvlášť hlídána, což se projevuje na nestejnoměrné struktuře a hustotě plátna. U nákladnějších pláten na dražší oděvy pak tloušťka nití příze kolísá mnohem méně a celkový výsledkem je jemnější, hustější a stejnoměrná struktura. Pro dosažení hladšího povrchu se někdy používalo střídání různých zákrutů příze.

Obr. 3.4: Pl·tnov· vazba

Obr. 3.5: Keprov· vazba

[P¯evzato: www.arttex-stavy.cz]

[P¯evzato: www.arttex-stavy.cz]

Keprová vazba může být buď útková, nebo osnovní a je charakteristická šikmým úhlopříčným řádkováním levého nebo pravého směru. Jeden z nejstarších doložených případů keprové vazby pochází z Östra Gerum ve Švédsku z doby bronzové. Použití keprových vazeb je velmi časté. Známá je tkanina džínsovina (denim), dále pak flanel a flauš. 33

2 dil kap 2_3.p65

33

23.7.2008, 13:43

Atlasová vazba je buď osnovní nebo útková. Vyznačuje se leskem, který je způsoben vazbou. Má nevýrazné šikmé řádkování. Tkanina je podstatně hustší a těžší než v plátnové vazbě. Využívá se často pro výrazné vzorování, jako jsou proužky na kapesnících, efekty na damašcích a brokátech.

Obr. 3.6: Atlasov· vazba [P¯evzato: www.arttex-stavy.cz]

3.2.2 V˝roba tkanin Více než polovina celkové výroby textilního průmyslu připadá ve světovém průměru na produkci tkalcovských stavů. Velkou různorodostí výrobních operací a výrobních postupů v rámci přípravy pro tkaní i při vlastním tkaní se mohou tkalcovny zařadit mezi technicky, organizačně a investičně náročné provozy textilního průmyslu. Výroba tkanin má stále určité přednosti proti jiným plošným textiliím, týkající se užitné hodnoty výrobku i ekonomiky. Tkaniny mají přiměřenou pružnost, kterou je možné v určitém rozmezí měnit. Technika tkaní umožňuje velkou variabilnost v hustotě, vazbě i barvách obou soustav nití.

3.2.3 Princip v˝roby tkanin Výroba tkanin probíhá na tkacích strojích dříve označovaných jako tkací stavy. Princip tkacího stroje a vzniku tkaniny je schematicky znázorněn na obr. 3.7 a 3.8. Tkací stroje mohou být člunkové nebo bezčlunkové. Mezi bezčlunkové tkací stroje patří stroje s prohozem skřipcovým, tryskovým nebo jehlovým. Osnova je navinuta na osnovním válu (1), ze kterého se odvíjí přes osnovní svůrku (2) do tkací roviny. Pořadí a rozdělení osnovních nití zajišťují křížové činky (3). Osnovní nitě jsou navedeny jednotlivě do nitěnek (4). Soubor všech nitěnek ve společném rámu tvoří list (5). Soustava všech listů se nazývá brdo. Funkcí brda je vytvářet prošlup, do kterého je člunkem (9) zanášen útek (10). Paprsek (6) udržuje osnovní nitě v požadované šířce a zajišťuje stejnoměrnou 34

2 dil kap 2_3.p65

34

23.7.2008, 13:43

Obr. 3.7: Pohled na tkacÌ stroj [P¯evzato: Dost·lov· M(2004)]

Obr. 3.8: Princip vzniku tkaniny [P¯evzato: Dost·lov· M(2004)] hustotu osnovních nití. Po prohození útku do prošlupu se pohybuje paprsek směrem ke tkanině a přiráží útek. Paprsek je umístěn na bidle. V době přírazu útku se prošlup uzavírá a začíná se tvořit prošlup pro další útek. Postupně vznikající tkanina je odváděna z tkací roviny přes prsník (7) drsným válcem (8) a navíjí se na zbožový vál (11).

3.2.4 TkanÌ Princip vzniku tkaniny byl popsán již v předchozí podkapitole. Je nutné si uvědomit, že tento princip tkaní je v podstatě stejný u všech typů tkacích strojů, u některých typů strojů s určitými výjimkami. Tkanina je vytvářena dvěma pra35

2 dil kap 2_3.p65

35

23.7.2008, 13:43

voúhlými soustavami nití, osnovy a útku. Před vlastním tkaním musí být osnova vložena do stroje, zkontrolovány návody osnovních nití do brda, paprsku, připraven útek a seřízeny jednotlivé mechanismy stroje. Cyklus tkaní je možné seřadit do následujících fází: I. fáze – otevření prošlupu. Z osnovních nití je podle tkané vazby vytvořen brdem klínový prostor – prošlup, do kterého je možné zanést útek. II. fáze – zanesení útku. Do prošlupu je pomocí zanašeče (člunku, skřipce, jehly, proudu vody nebo vzduchu) zanesena po celé šířce osnovy útková nit. III. fáze – zavření prošlupu. Po zanesení útku si tkací listy vymění polohu. Nejdříve dojdou do základní polohy, kdy jsou v zástupu. V pokračujícím pohybu tkacích listů se osnovní nitě se zaneseným útkem překříží, aby mohl být útek přírazem upevněn ke tkanině. IV. fáze – příraz útku. Zanesený útek je paprskem umístěným na bidle přiražen ke tkanině. Zároveň se začíná tvořit nový prošlup. Po přírazu útku je tkanina odtahovým válcem posunuta o dráhu rovnající se požadované vzdálenosti mezi dvěma útky.

3.2.5 Tkaniny ve zdravotnictvÌ Ve zdravotnictví se tkaniny používají na ložní soupravy, prostěradla, obleky pro zdravotnický personál, froté program a jiné. V případě, že je na textilii kladen zvláštní požadavek, co se výsledných vlastností týče, mohou tkaniny podstupovat různé úpravy, např. nešpinivou, vodoodpudivou, antistatickou nebo antibakteriální úpravu.

3.2.6 Kombinace tkanÌ a pletenÌ ñ pletenotkanÌ Pletenotkaní je nová technika vytváření plošných textilií spojením dvou technologických principů výrob textilií. Stroje na výrobu pletenotkanin byly vyvinuty z pneumatických tryskových tkacích strojů. Typické jsou proužky tkaniny, spojené sloupky oček. Vlastnosti pletenotkanin jsou kombinací vlastností tkanin a částečně pletenin. Zpracovávat se mohou všechny druhy vlákenných materiálů. Jako osnovy jsou většinou používána syntetická hedvábí (polyamidová a polyesterová). Sortiment výrobků je velmi široký, např. lůžkoviny, košiloviny, technické textilie, obvazové materiály s pevnými okraji a jiné.

36

2 dil kap 2_3.p65

36

23.7.2008, 13:43

3.3 Pleteniny Pletenina je plošná textilie vznikající z jedné soustavy nití vytvářením a proplétáním oček. Pleteniny mohou být zátažné nebo osnovní. Zátažná pletenina se vytváří z vodorovné soustavy nití (jedné nebo více), postupně v příčném směru po řádcích je snadno paratelná. Pletenina osnovní se vytváří ze svislé soustavy nití, očka se vytvářejí v podélném směru po sloupcích, je obtížněji paratelná. Pleteniny vyráběné na jednom lůžku stroje jsou pleteniny jednolícní, dvoulůžkové pletací stroje umožňují plést pleteniny oboulícní (resp. obourubní, interlokové). Charakteristický tvar nitě v pletenině je klička, která může být uzavřená

Obr. 3.9: Otev¯en· a uzav¯en· kliËka v†pleteninÏ [P¯evzato: http://www.ft.tul.cz/depart/ktt]

Obr. 3.10: Struktura z·taûnÈ (vlevo) a osnovnÌ pleteniny (vpravo) [P¯evzato: http://www.ft.tul.cz/depart/ktt]

37

2 dil kap 2_3.p65

37

23.7.2008, 13:43

b

a

Obr. 3.11: Z·taûn· jednolÌcnÌ pletenina (a), z·taûn· oboulÌcnÌ pletenina (b) [P¯evzato: http://www.ft.tul.cz/depart/ktt]

b

a

Obr. 3.12: OsnovnÌ jednolÌcnÌ pletenina (a), osnovnÌ oboulÌcnÌ pletenina (b) [P¯evzato: http://www.ft.tul.cz/depart/ktt] či otevřená obr. 3.9. Základním vazebním prvkem pletenin je očko, které vzniká protažením kličky předchozím vazebním prvkem, může být lícní nebo rubní, otevřené nebo uzavřené.

3.3.1 Historie pleta¯stvÌ Nejranější zatím známé a doložené úplety pochází z Arábie 7. století n. l., ale soudě dle vyspělé techniky na nich použité, je tato technika pravděpodobně ještě mnohem starší. Způsob ani období rozšíření techniky pletení z Arábie do Evropy není znám, ale předpokládá se vliv Maurů či Byzance. Archeologicky je pletení doloženo pouze sporadicky, např. v podobě pletených vlněných punčoch pocházejících z Ruska z období 12. století. Ze stejného období jsou doloženy zmínky o pletených částech oděvů z Německa od Barbarossova vojska, ale detaily ani technika zde doložena ještě není. Jedno z nejstarších doložených 38

2 dil kap 2_3.p65

38

23.7.2008, 13:43

vyobrazení, zobrazujících přímo techniku pletení v Evropě, pochází až ze 14. století. Na Buxtehudském oltáři je zobrazena pletoucí Panna Marie se čtyřmi jehlicemi. V historii pletařství nesmí být vynecháno jméno Wiliama Leeho, anglického pastora, který vynalezl ruční zátažný stávek a urychlil tak pletařskou výrobu asi desetinásobně. V současné době dosahuje úroveň pletařských strojů vysoké technické dokonalosti, produktivita strojů se několikanásobně zvyšuje, zlepšuje se využití strojů, jakost pletenin, rozšiřuje se sortiment a použití pletenin.

3.3.2 Pleteniny ve zdravotnictvÌ Ve zdravotnictví se pleteniny používají na výrobu cévních protéz, cévních záplat, chirurgických sítěk, sítěk pro urologii, implantabilních zpevňovacích plstí, kombinovaných obvazových textilií na popáleniny, prádla pro onkologické pacienty po radioterapii a návleků na amputované končetiny. Jednou z hlavních firem zabývajících se výrobou pletenin a pleteného prádla pro zdravotnictví je Výzkumný ústav pletařský v Brně.

a

b

Obr. 3.13: SÌùka urËena pro dlouhodobÈ upevnÏnÌ, p¯ÌpadnÏ vyztuûenÌ r˘zn˝ch org·n˘ (a), zdravotnÌ pr·dlo ze syntetickÈ pleteniny (b) [P¯evzato: www.vup.cz]

3.4. NetkanÈ textilie Netkaná textilie (NT) je vrstva vyrobená z jednosměrně nebo náhodně orientovaných vláken, spojených třením nebo kohezí nebo adhezí s výjimkou papíru a výrobků vyrobených tkaním, pletením, všíváním, proplétáním nebo plstěním. 39

2 dil kap 2_3.p65

39

23.7.2008, 13:43

3.4.1 Obecn˝ postup v˝roby netkan˝ch textiliÌ Obecně je možné shrnout výrobu NT do následujících technologických stupňů: • příprava vlákenných surovin • příprava vlákenných vrstev • zpevnění vlákenných vrstev • úpravy NT • konečné zpracování NT – ořezávání, nabalování, adjustace Příprava vlákenných surovin Při výrobě NT se používají textilní vlákenné suroviny běžně zpracovávané v textilním průmyslu (vlákna přírodní i vlákna z přírodních a syntetických polymerů). Dále je možné zpracovávat i některé textilní odpady, druhotné suroviny a v neposlední řadě vlákna speciální. Pod speciálními vlákny se rozumí vlákna různě tvarovaná, vlákna bikomponentní, vlákna různě modifikovaná a další. Typu vlákenných surovin je přizpůsobeno další zpracování, buď běžné nebo určitým způsobem specializované. Samotná příprava vlákenné suroviny musí být přizpůsobena požadavkům na budoucí textilii, tzn. vlákenná surovina je nejčastěji ve formě střiže, dodávaná slisovaná v balících. Příprava vlákenných vrstev Vlákenné vrstvy mohou být připravovány suchým nebo mokrým způsobem. such˝ zp˘sob Mechanicky ñ podÈlnÈ vrstvenÌ ñ p¯ÌËnÈ vrstvenÌ ñ kolmÈ vrstvenÌ aerodynamicky p¯Ìmo z†polymeru elektrostaticky

mokr˝ zp˘sob naplavov·nÌ

Tab. 3.1: P¯ehled p¯Ìpravy vl·kenn˝ch vrstev Mechanické způsoby Mechanické způsoby spočívají ve vytvoření vlákenné pavučiny a v jejím vrstvení. K přípravě vlákenné pavučiny se využívá mykacích strojů, případně mykacích zařízení vyvinutých speciálně pro výrobu netkaných textilií. Běžně jsou využívány klasické mykací stroje víčkové (bavlnářské) a válcové (vlnařské). Podstatou funkce klasického válcového mykacího stroje je postupné ojednoco40

2 dil kap 2_3.p65

40

23.7.2008, 13:43

vání vláken a jejich uspořádání převážně ve směru vystupující pavučiny. Takové uspořádání vláken se nazývá anizotropické. Jeho důsledkem jsou rozdílné vlastnosti pavučiny i vlákenné vrstvy vzniklé jejím vrstvením v různých směrech. Aerodynamická výroba vlákenné vrstvy Při aerodynamické tvorbě rouna je vlákenná surovina rozvolněna rychle se otáčejícím škubacím válcem opatřeným pracovním povlakem. Vlákna jsou z tohoto válce snímána kombinovaným účinkem odstředivé síly a přiváděného proudu vzduchu. Tímto proudem jsou unášena a ukládána na pohybujícím se sítovém dopravníku. Na rozdíl od mechanických způsobů vzniká tímto postupem vlákenná vrstva, v níž jsou jednotlivá vlákna v podstatě nahodile orientována. Z toho vyplývá menší rozdíl vlastností rouna v jednotlivých směrech. Příprava vlákenných vrstev z taveniny polymeru – technologie spun-bond a melt-blown Technologie spun-bond Název technologie je odvozen z anglických výrazů zvlákňování a pojení. Do češtiny se tento název většinou nepřekládá. Někdy se používá označení „výroba pod hubicí“.

Obr. 3.14: TypickÈ schÈma v˝roby vl·kennÈ vrstvy pod tryskou: tavenina polymeru (a), filtraËnÌ sÌtka (b), tryska zvl·kÚovacÌ hubice (c), odtahov· vzduchov· tryska (d), öachta (e), v˝kyvn· rozmÌtacÌ destiËka (f), ods·v·nÌ pod sÌtov˝m dopravnÌkem (g), sÌtov˝ dopravnÌk (h), vyroben· vl·kenn· vrstva (i) 41

2 dil kap 2_3.p65

41

23.7.2008, 13:43

Proces výroby textilií postupem spun-bond lze členit do následujících fází: tavení polymeru, který je předkládán ve formě granulátu zvlákňování pomocí zvlákňovacích trysek odtah od hubice, případně dloužení rozkládání filamentů na plochu pohybujícího se sítového dopravníku zpevnění vlákenné vrstvy ořezávání okrajů a navíjení. Textilie spun-bond nacházejí široké použití v oblasti zdravotnických výrobků a prostředků osobní hygieny, jako obalové materiály, geotextilie, ochranné oděvy, filtry, agrotextilie a podobně. • • • • • •

Melt-blown Název technologie je složen z anglických slov melt – tavit, tavenina a blown – foukat. Do češtiny se nepřekládá, někdy se opisuje výrazem „textilie vyrobené rozfukováním taveniny (polymeru)“. Výrobky melt-blown se skládají z vláken volitelných průměrů. Typická jsou mikrovlákna o průměru 2–4 mikrony vyznačující se velkým měrným povrchem. Procesem lze však vyrobit i textilie z mnohem jemnějších vláken (0,1 mikronu) nebo naopak z vláken běžných textilních jemností (10–15 mikronů). Proces výroby se skládá z následujících základních operací (obr. 3.15): a) Tavení polymeru a doprava taveniny k hubici. b) Formování vláken. c) Strhávání taveniny proudem vzduchu, formování vláken a jejich chlazení. d) Formování vlákenné vrstvy na porézním sběrném bubnu nebo pásu. e) Pojení. f) Navíjení.

Obr. 3.15: SchÈma za¯ÌzenÌ melt-blown, tavÌcÌ extruder (a), d·vkovacÌ zubovÈ Ëerpadlo (b), zvl·kÚovacÌ hubice (c), rozvod horkÈho vzduchu (d), sÌtov˝ buben (e), navÌjenÌ (f) 42

2 dil kap 2_3.p65

42

23.7.2008, 13:43

Textilie melt-blown nacházejí široké uplatnění jako průmyslové sorbenty, obzvláště pro zachycování ropných látek z vody. Používají se na konstrukci ochranných oděvů a oděvů pro čisté prostory. Textilie absorbuje nebezpečné chemikálie a prach nebo naopak pot a bakterie produkované lidským tělem (chirurgické oděvy, roušky, masky). Další použití je na sanitární a hygienické zboží. Textilie melt-blown se podle povrchové úpravy chovají jako kapaliny propouštějící, savé nebo naopak bariéra. Elektrostatické zvlákňování Elektrostatické zvlákňování je způsob přípravy ultra jemných vláken z polymerního roztoku nebo polymerní taveniny pomocí elektrostatických sil. Princip elektrostatického zvlákňování je podrobně zmíněn v kapitole 6, takže zde nebude tato problematika dále rozebírána. Naplavování Výroba netkaných textilií hydrodynamickým neboli mokrým postupem je bezprostředně odvozena od postupů a zařízení výroby papíru. Součástí linek pro výrobu za mokra je i zařízení ke zpevnění vrstev. V případě výroby z celulózových vláken ke zpevnění dochází sušením, přičemž mezi povrchy vláken působí sekundární mezimolekulové síly. Při výrobě ze syntetických vláken se využívá různých pojiv. Základními operacemi při mokrém způsobu výroby jsou: • smočení a dispergace vláken ve vodě, • transport vlákenné suspenze k pohybujícímu se nekonečnému sítovému pásu, • tvorba vlákenné vrstvy na sítu filtrací suspenze, • sušení, případně dodatečné zpevnění a povrchové úpravy.

Obr. 3.16: Za¯ÌzenÌ se öikm˝m sÌtem pro v˝robu vl·kennÈ vrstvy za mokra. P¯Ìvod disperze vl·ken (1), öikmÈ sÌto (2), ods·v·nÌ vody (3), odvodÚov·nÌ vl·kennÈ vrstvy podtlakem (4), vl·kenn· vrstva (5) 43

2 dil kap 2_3.p65

43

23.7.2008, 13:43

Typickými oblastmi použití naplavovaných textilií jsou textilie pro zdravotnictví (pleny, sanitární zboží) a průmysl, filtrační a těsnicí materiály, bateriové separátory, vysoce pevné papíry a balicí materiály, výrobky pro jednorázové použití a další. Zpevnění vlákenných vrstev Ke zpevňování vlákenných vrstev může docházet buď mechanickým, chemickým, nebo termickým způsobem. K nejrozšířenějšímu způsobu mechanického zpevňování patří vpichování. Ve zdravotnictví tvoří podstatnou část výrobky, které jsou pojeny technologií spunlaced. Vpichování je jedním z nejstarších a dosud nejrozšířenějších způsobů zpevňování vlákenných vrstev. Byl vyvinut v minulém století jako náhrada plstění. Podstatou vpichování je provazování vlákenné vrstvy svazky vláken vzniklými přeorientací části vláken účinkem průniku jehel s ostny. V průběhu vpichování dochází také k podstatné redukci tloušťky vlákenné vrstvy, k výrazné přeorientaci všech vláken a ke změnám délky i šířky útvaru. Technologie spunlaced (provazování paprsky vody) je proces výroby netkaných textilií, kde je využito proudu vody k provázání jednotlivých vláken rouna. Proces zahrnuje výrobu vlákenné vrstvy, proviřování = zpevňování vodními paprsky a následné odvodnění a sušení. Technologie spunlaced nevyužívá ke zpevnění výchozí vlákenné vrstvy žádných chemikálií v podobě pojiv, soudržnost textilie zajišťují třecí síly mezi vlákny obdobně jako u přízí. Technologie spunlaced umožňuje výrobu široké škály textilií – od nejjemnějších krajek až po pevné výrobky vyšších plošných hmotností. Pro výrobky je charakteristická dobrá splývavost, která je dána možností jednotlivých vláken pohybovat se vzájemně vůči sobě, stejně tak, jako je tomu u vláken v přízi a u přízí v tkaninách a pleteninách. Tím se výrazně odlišují od většiny ostatních netkaných textilií a blíží se pleteninám a tkaninám. Textilie jsou měkčí, díky velkému počtu vyčnívajících konců vláken mají textilie měkký a příjemný omak. Textilie pojené paprsky vody jsou využívány jako podklady pro povrstvování, oděvní vložky, dekorace, filtry, čisticí textilie, izolace, geotextilie a stavební textilie. Nejvýznamnější oblastí využití spunlaced výrobků je zdravotnictví, kde jsou využívány jako jednorázové oblečení pro operační týmy i pacienty, jednorázové povlečení nemocničních lůžek, obvazové materiály, tampony apod. Mezi chemické způsoby zpevňování vlákenných vrstev patří například pojení disperzemi a zpěněnými disperzemi pojiv nebo pojení roztoky pojiv. Pojiva jsou na vlákenné vrstvy nanášena impregnací, stříkáním pomocí pneumatických nebo stříkacích pistolí a tiskem. Textilie pojené chemickými pojivy nejsou ve zdravotnictví kvůli své možné hygienické závadnosti ve větší míře využívány. 44

2 dil kap 2_3.p65

44

23.7.2008, 13:43

Termické zpevňování vlákenných vrstev se provádí pojivy ve formě pevných polymerů nebo kopolymerů. Podstatou procesu je nanesení pojiva na pavučinu nebo vlákennou vrstvu (prášek, pasta) nebo vrstvení vlákenné vrstvy s plošným pojivým útvarem (mřížka, folie), případně příprava vlákenné vrstvy ze směsi základních a pojivých vláken (níže tající nebo bikomponentní vlákna). Následuje tavení pojiva zvýšením teploty vrstvy, dochází k formování pojících míst a poté zpevnění pojiva ochlazením. K termickým způsobům zpevňování vlákenných vrstev patří pojení kalandrem, teplovzdušné pojení, pojení ultrazvukem a infračerveným zářením. Úpravy netkaných textilií Netkané textilie se po zpevnění mohou dodávat spotřebitelům nejčastěji navinuté na rolích (roll goods), často se však nejrůznějším způsobem upravují. To provádí buď přímo výrobce v následných operacích nebo specializované výrobny. Úpravárenské a zpracovatelské závody tvoří samostatné odvětví zvané converting. Netkané textilie se mohou potiskovat, barvit, mohou se na nich provádět nejrůznější úpravy, jako je hydrofilní, hydrofobní, antistatická nebo nehořlavá úprava.

3.5 P¯ehled d˘leûit˝ch pojm˘ a definic Adheze je schopnost materiálů spolu soudržet. Brdo je soustava tkacích listů, jejich počet závisí na tkané vazbě a dostavě osnovních nití. Jemnost délkových textilií vyjadřuje vztah mezi jejich hmotností a délkou. Nit je obecný název pro délkovou textilii ze staplových nebo nekonečných vláken. Očko je základní vazební prvek pleteniny. Rouno je plošná vlákenná vrstva vytvořená z chomáčků nebo jednotlivých vláken, spojených přirozenou soudržností. Vločka je chomáček vlákenné suroviny.

3.6 DoporuËen· literatura Dostálová M, Křivánková M (2004) Základy textilní a oděvní výroby, Liberec. Jirsák O, Kalinová K (2003) Netkané textilie, Liberec. http://www.ft.tul.cz/depart/ktt http://www.arttex-stavy.cz http://www.priroda.cz http://www.ft.tul.cz/depart/ktm 45

2 dil kap 2_3.p65

45

23.7.2008, 13:43

4. Materi·ly pouûÌvanÈ ve zdravotnictvÌ Ond¯ej Nov·k, Kate¯ina VodseÔ·lkov·

4.1 ChirurgickÈ nitÏ Chirurgické nitě se používají k uzavírání ran nebo řezů a k ošetření poškozené tkáně. Vyrábí se široká škála chirurgických nití, jejich vlastnosti jsou dány konkrétním použitím. Výběr chirurgické nitě závisí na druhu spojované tkáně i na rozsahu rány. Ať se jedná o nitě vstřebatelné nebo nevstřebatelné, musejí splňovat několik podmínek. K nim patří pevnost po požadovanou dobu, pevnost jak při vytváření stehu, tak při utahování uzlu, poddajnost nitě, tvarová paměť, snášenlivost bez interakcí s organismem, dobrá poddajnost, minimální savost a sterilizovatelnost. Dále by měla nit snadno pronikat tkání, aniž by způsobila její poškození.

4.1.1 Historie chirurgick˝ch öicÌch nitÌ Chirurgická nit slouží ke spojování tkání pomocí jehly tvořením stehu. Historie chirurgických nití sahá až do starověku, konkrétně do starého Egypta do období 3000 let př. n. l. Na dochovaných vyobrazeních tehdy používaných chirurgických nástrojů jsou i jehly s očkem. Pro hmatatelný důkaz prvních chirurgických švů se však musíme přesunout o několik tisíciletí blíže současnosti, a to do roku přibližně 1100 let př. n. l., zhruba z té doby lze datovat švy dochované na břiše mumie. Ve starém Egyptě se pro účely chirurgického šití používala rostlinná vlákna, vlasy, šlachy a vlákna z vlněné srsti (chlupy). První detailní popis věnovaný sešívání ran lze nalézt v Ayur Veda (Knize života) sepsané indickým lékařem Susrutou zhruba 500 let př. n. l. Ten v ní popisuje i druhy nití a vláken používaných pro sešívání ran. Z rostlinných vláken to byla vlákna lněná a konopná, z živočišných se jednalo o chlupy a objevuje se i použití tětiv luků, které se vyráběly z ovčích střev a byly prvními vstřebatelnými vlákny, mj. používanými dodnes pod názvem katgut, ale ve značně zdokonalené podobě. Středověk byl především ve znamení hledání vhodných druhů šicích materiálů, které by byly dostatečně pevné, neprořezávaly tkáně a nezanášely do lidského těla nečistoty. Ze zajímavých letopočtů připomeňme rok 1599, kdy se v Murrayově anglickém slovníku poprvé objevuje název „catgut“ (viz kap. 4.1.4). Ten však neznamenal použití kočičích střev pro výrobu chirurgických nití, ale 46

2 dil kap 4.p65

46

28.7.2008, 14:01

popisoval skupinu strunných nástrojů podobných houslím, a správný význam byl tedy loutnová struna. Rok 1860 přinesl katgut sterilizovaný kyselinou karbolovou, který představoval první skutečný šicí materiál. Tento způsob sterilizace zavedl britský chirurg Joseph Lister. V roce 1881 je uveden chromovaný katgut a v roce 1906 pak katgut sterilizovaný jódem. Možnost sterilizovat chirurgické nitě jódem objevil německý chirurg Franz Kuhn. V roce 1908 se v Braunových závodech začíná vyrábět katgut v průmyslovém měřítku. V roce 1931 se začíná vyvíjet syntetický vstřebatelný šicí materiál na bázi polyvinylalkoholu. V roce 1939 se experimentuje s potahovaným polyamidem a v letech 1950–1961 se klinicky ověřuje syntetický kolagen. Dále se zavádí polyester a je objevena možnost jeho sterilizace, společně s katgutem, pomocí radiace. V šedesátých letech se zjišťuje, že polyglykolová kyselina je použitelná pro výrobu vstřebatelné nitě a v sedmdesátých letech se již běžně užívá v nemocnicích, dokonce s možností ovlivnění důležitých vlastností požadovaným směrem. V roce 2001 je katgut pomalu vytlačován z důvodu rizika přenosu CJD (Creutzfeldt-Jakobovy nemoci) u nás známé jako nemoc šílených krav.

4.1.2 DÏlenÌ chirurgick˝ch nitÌ Dělit chirurgické nitě lze podle různých hledisek, a to například dle vstřebatelnosti nebo původu materiálu. Toto základní rozdělení je uvedeno v tabulce 4.1. Vstřebatelné nitě se v organismu rozloží, zatímco nevstřebatelné v organismu zůstávají a později mohou být vyjmuty nebo v organismu zůstávají trvale. Jiné dělení je možné podle počtu vláken v chirurgické niti. Je-li nit tvořena jedním vláknem, jedná se o monofil. Monofilní vlákno prochází tkání snadno a příliš ji nezachytává. Pokud je nit tvořena více vlákny, pak se jedná o multifil. Multifilní vlákna jsou buď skaná, nebo splétaná. Vzhledem k jejímu členitému povrchu prochází tkání hůře a při průchodu ji zachytává. Proto se multifilní nitě povrstvují za účelem získání hladšího povrchu a pak mohou být nazývány pseudomoMateri·l

Vst¯ebateln˝

Nevst¯ebateln˝

P¯ÌrodnÌ

Katgut

Hedv·bÌ Len

Syntetick˝

Kyselina polyglykolov· Glykolid-laktidovÈ kopolymery Polydioxanon Kopolymery glykolidñlaktidu a trimetylen karbon·tu

Polypropylen Polyester Polyetyteltereftal·t PolybutylÈn tereftal·t Polyamid

Tabulka 4.1: Z·kladnÌ rozdÏlenÌ öicÌch chirurgick˝ch nitÌ 47

2 dil kap 4.p65

47

28.7.2008, 14:01

nofily. Chirurgické nitě lze dělit i podle jiného hlediska, a to zda je chirurgická jehla součástí chirurgické niti, nebo je dodávána samostatně.

4.1.3 V˝roba syntetick˝ch chirurgick˝ch nitÌ Prvním krokem je výroba surového polymeru. Ten se připravuje v reaktorech, kde dochází ke spojování výchozí chemikálie, tzv. monomeru, do polymeru. Tento proces se nazývá polymerizace. Polymer se poté vytlačuje tryskami za vzniku drobných kuliček, granulí polymeru. Vytvořené granule polymeru se poté vloží do vytlačovacího lisu – extrudéru, ve kterém se roztaví (přemění se ve velmi viskózní kapalinu) a jsou vytlačovány tryskami s velkým množstvím otvorů o malém průměru. Výsledkem je vznik jednotlivých vláken. Tato vlákna jsou dloužena pomocí odvíjecího zařízení, které má vyšší rychlost, než je rychlost výstupu vlákna z trysky. Dloužením se původní délka vlákna zvětší až pětinásobně. Důvodem této operace je zlepšení mechanických vlastností polymerního vlákna. Chirurgické nitě jsou vyráběny jako monofilní (jedno vlákno, obr. 4.3), multifilní (skané z více vláken) a splétané. Skaní je proces, který spojí nejméně dvě vlákna zákrutem (viz obr. 4.1). Splétání spojuje větší množství vláken, podobně jako se pletou lana (viz obr. 4.2). V případě chirurgických nití jsou to desítky až stovky nekonečných monofilních vláken, která vytvoří nekonečnou chirurgickou nit. Další operací je opětovné protahování, které trvá několik minut, přičemž hodnota protažení je okolo 20 %. V závěru této operace nit prochází přes horkou destičku, která odstraní případné žmolky a odstávající vlákna. Dalším krokem je zvýšení uspořádání krystalického podílu polymeru do dlouhých řetězců. Provádí se za zvýšené teploty a pod napětím po dobu několika minut až hodin. To dále zlepší mechanické vlastnosti nitě. Další volitelnou operací je povrstvování. Chirurgická nit prochází lázní, která je kapalná nebo ve formě pasty. Složení lázně je dáno požadavky na druh povrstvovací úpravy. Po těchto úpravách se na vybraném souboru nití provádí zkoušení vlastností, jako je pevnost, průměr, délka, přítomnost vad, v případě vstřebatelných nití i zkouška rozpustnosti. Vyhoví-li nit všem požadavkům, lze ji opatřit jehlami, a dále se balí do neprodyšných sáčků. Ty se pak sterilizují gama zářením.

Obr. 4.1: SchematickÈ zn·zornÏnÌ skanÈ nitÏ. P¯i pohledu lze spat¯it st¯ÌdajÌcÌ se filamenty. 48

2 dil kap 4.p65

48

28.7.2008, 14:01

Obr. 4.2 a 4.3: Na obr·zku je uk·zka splÈtanÈ nitÏ a detailu jejÌ struktury. DalöÌ obr·zek ukazuje vl·kno monofilnÌ. Na detailu jsou patrny podÈlnÈ r˝hy, kterÈ vznikajÌ p¯i vytlaËov·nÌ z†trysky, jejÌû profil nenÌ dokonale hladk˝. V případě, že tento způsob sterilizace nelze použít, sáčky se ponechají otevřené a sterilizují se chemicky pomocí plynného etylenoxidu. Po sterilizaci se sáčky uzavřou. Poslední operací v procesu výroby chirurgických nití je balení a značení sáčků a kartonů.

4.1.4 P¯ehled chirurgick˝ch nitÌ pro hum·nnÌ pouûitÌ V následujících bodech budou popsány nejznámější druhy chirurgických šicích nití pro humánní použití (Suturamenta ad usum humanum). Vstřebatelné chirurgické nitě z přírodních materiálů Sterilní katgut Sterilní katgut (Chorda resorbilis sterilis) se vyrábí z kolagenu získaného z podslizniční vrstvy střívek savců. Po vyčištění se blány podélně rozdělí do pásu různé šířky a v malém počtu se spojí do požadovaného průměru, v napnutém stavu se předou, suší, leští, třídí a sterilizují. Nitě se mohou upravovat chemickými látkami, například solemi chromu, aby se prodloužila doba vstřebání, nebo glycerolem pro zlepšení pružnosti za předpokladu, že se nesníží jejich snášenlivost v tkáních. Sterilní katgut je chirurgická pomůcka na šití rány. Jako vstřebatelná nit slouží na spojení tkání po dobu hojení a následně proteolytickými enzymy metabolizuje. Výroba musí vyhovovat příslušným předpisům o používání živočišných tkání ve zdravotnických pomůckách, zejména z hlediska rizika přenosu původců spongioformních encefalopatií ze zvířat. Jedná se o neuro49

2 dil kap 4.p65

49

28.7.2008, 14:01

degenerativní onemocnění, které je zapříčiněno nahromaděním poškozeného proteinu – prionu – v mozkové tkáni. Pro zachování účinnosti a funkčních vlastností při používání a po dobu životnosti katgutu je důležité určit jeho fyzikální vlastnosti: standardní průměr, dostatečnou původní pevnost a spojení s jehlou. Pokud se katgut uchovává v konzervačním roztoku, po vyjmutí nitě z obalu se ihned změří délka, průměr a minimální trhací síla. Pokud se uchovává v suchém stavu, ponoří se na 24 hodin do 96% lihu nebo 90% roztoku propan-2-olu. Katgut je balen do vnějšího a jednotlivě do vnitřního obalu, na kterém jsou zejména tyto údaje: číslo nitě, délka v centimetrech nebo metrech, název produktu a použití, k němuž je určeno. Vstřebatelné chirurgické nitě ze syntetických materiálů Sterilní syntetické vstřebatelné monofilamentní a splétané nitě Sterilní syntetické vstřebatelné monofilamentní nitě (Fila resorbilia synthetica monofilamenta sterilia) se skládají ze syntetického polymeru, polymerů nebo kopolymerů, které se po zavedení do živého organismu vstřebávají a nezpůsobují žádné nevhodné podráždění tkání. Jsou vyrobeny ze zcela polymerizovaného materiálu. Jako vstřebatelné nitě slouží na spojení tkání po dobu hojení a postupně se rozloží. Patří sem syntetický monofil z polymeru kyseliny glykolové a ĺ-kaprolaktonu, který se po sedmi dnech vstřebá zhruba z padesáti procent a po třech až čtyřech měsících dochází k jeho úplnému vstřebání hydrolýzou. Je vhodný ke spojování cév a nervů nebo v urologii, gynekologii. Dalším zástupcem je syntetický monofil z polymeru polyesteru poly-p-dioxanonu (polydox). Po šesti týdnech vykazuje přibližně 50% pevnost, po cca 30 týdnech se zcela hydrolyticky rozpustí. Je vhodný u takových výkonů, kde je nutno zajistit pevnost po delší dobu. Sterilní syntetické vstřebatelné splétané nitě (Fila resorbilia synthetica torta sterilia) se od vstřebatelných mofilamentních liší pouze svou strukturou. Jsou tvořeny z multifilamentních nití, které se vzájemně splétají. Do této kategorie patří chirurgická nit splétaná z vláken na bázi polymeru kyseliny glykolové. Na povrchu je vrstva polykaprolaktonu se stearátem vápníku. Povrchová úprava ovlivňuje i délku vstřebávání, které může být velmi krátké (do dvou týdnů) nebo až v desítkách týdnů. Tyto nitě můžeme nalézt např. pod obchodním názvem Safil®, Safil® Quick, Monolac, Chirlac rapid braided, Polydox, Monosyn®, MonoPlus®. Nevstřebatelné chirurgické nitě Sterilní nevstřebatelné nitě (Fila non resorbilia sterilia) v živém organismu ne50

2 dil kap 4.p65

50

28.7.2008, 14:01

metabolizují. Jsou různého původu: živočišná, rostlinná, kovová nebo syntetická. Dodávají se ve formě válcovitých mono- nebo multifilamentních nití skládajících se ze základních vláken. Ty mohou být soukané nebo splétané, případně povrstvené, a mohou se upravit tak, aby nebyly rozvlákněné. Nitě mohou být barvené. Sterilní nevstřebatelné chirurgické nitě jsou určené na spojení tkaní po dobu hojení ran a poskytují plynulou oporu rány. Nevstřebatelné chirurgické nitě z přírodních materiálů Hedvábí Sterilní pletená hedvábná nit (Filum bombycis) se vyrábí splétáním jednotlivých vláken na požadovaný průměr z čistého hedvábí získaného ze zámotků kukel bource morušového (Bombyx mori L.). Přírodní nevstřebatelný materiál, poddajný, netraumatizuje tkanivo. Používá se na šití kůže, tkání trávicího ústrojí, v oční mikrochirurgii a ve stomatologii. Obchodní názvy jsou Silk braided, Silk twisted, Silkam®/Virgin Silk. Len Sterilní lněná nit (Filum lini) se sestává z pericyklických vláken ze stonků lnu setého (Linum usitatissimum L.). Jednotlivá vlákna dlouhá 2,5 až 5 cm se uspořádávají do svazků 30 až 80 cm dlouhých a spřádají se na souvislou nit s požadovaným průměrem. Obchodní název těchto nití je např. Linatrix®. Nevstřebatelné chirurgické nitě ze syntetických materiálů Polyetylentereftalát Sterilní polyetylentereftalátová nit (Filum ethyleni polyterephthalici) se vyrábí zvlákňováním přes hubici. Získaná velmi jemná vlákna se splétají v potřebném počtu v závislosti na požadovaném průměru. Vlákna nepodléhají enzymatické degradaci. Obchodní název je např. Miralene®, Tervalon, TervalonPlus, PremiCron®. Polyamid 6 Sterilní nit z polyamidu 6 (Filum polyamidicium 6) se vyrábí ze syntetického polymerního materiálu, získaného polymerizací ĺ-kaprolaktamu, zvlákňováním z hubice. Dodává se ve formě hladkých nití z nekonečných vláken (mono- nebo multifilamentních), jemně soukaných a povrstvených týmž materiálem. Má hladký neporézní povrch a velkou pevnost v uzlu. Používá se v plastické chirurgii, k šití kůže, tepen a k podobným účelům jako hedvábí, na rozdíl od něj je však pevnější, a proto se mohou použít tenčí vlákna. Tato vlákna ztrácejí po jednom 51

2 dil kap 4.p65

51

28.7.2008, 14:01

roce v tkáních svoji pevnost. Obchodní název je např. Sulfamid, Silon monofil, Orsilon braided. Polyamid 6/6 Sterilní nit z polyamidu 6/6 (Filum polyamidicum 6/6) se vyrábí ze syntetického polymerního materiálu, získaného polykondenzací hexamtylendiaminu a kyseliny adipové zvlákňováním přes hubici. Dodává se ve formě hladkých nití z nekonečných vláken (mono- nebo multifilamentních), jemně soukaných a povrstvených týmž materiálem. Použití je shodné jako u polyamidu 6. Dobré mechanické vlastnosti zajišťují pevnost i při velmi malých průměrech nitě. Obchodní název je Dafilon®. Polypropylen Polypropylenová nit (Filum polypropylenicum) se vyrábí zvlákňováním polypropylenu přes hubici. Dodává se ve formě hladkých nití z nekonečných vláken (monofilamentních). Vlákna z těchto syntetických polymerů přetrvávají v organismu prakticky po neomezenou dobu. Jsou velmi pevná, používají se například v kardiochirurgii, cévní a plastické chirurgii. Vlákno je hladké, hydrofobní a nepodléhá enzymatické degradaci. Obchodní názvy těchto chirurgických nití jsou např. Premilene®, Chiralen. Polyvinylidendifluorid Mezi syntetické nevstřebatelné monofilní chirurgické nitě lze zařadit polyvinylidendifluorid (PVDF). Výhodou tohoto materiálu je hladkost, výborná uzlitelnost a malý paměťový efekt. Tento materiál nepodléhá enzymatické degradaci. Využití je v kardiochirurgii, ortopedii a cévní chirurgii. Tuto nit lze nalézt pod obchodním názvem Chiraflon.

4.1.5 ⁄pravy chirurgick˝ch nitÌ Některé druhy chirurgických nití je vhodné upravovat. Úprava vede buď ke zvýšení odolnosti vlákna vůči degradaci. Množstvím upravující látky lze regulovat dobu degradace nebo rozkladu. Používá se buď vrstva téhož polymeru, ze kterého je nit vyrobena, nebo je povrstvena jinou vhodnou látkou. K těmto látkám řadíme například chrom, který výrazně prodlouží degradační dobu nitě. Používá se třeba na katgut. Jinou povrchovou úpravou je potažení tenkou vrstvou teflonu (polytetrafluorethylen – PTFT), která se používá u nevstřebatelných nití, kupříkladu polyesteru, k zajištění vysoké hladkosti povrchu, a tím snadného průchodu tkáněmi. Povrstvování se provádí dle použití chirurgické nitě a v závislosti na tom, zda je či není nit vstřebatelná. Pro vstřebatelné nitě se 52

2 dil kap 4.p65

52

28.7.2008, 14:01

pro povrstvení používá povrchově aktivní látka Poloxamer 188 nebo stearát vápníku s glykolid laktid kopolymerem a polykaprolaktonem. Nevstřebatelné nitě se povrstvují voskem, silikonem, fluorokarbonem nebo adipanem polytetrametylenu. K dalším úpravám patří barvení, které se provádí z důvodu lepší viditelnosti nitě během šití. Používají se následující barviva: výtažek z tropického stromu kreveně (Haematoxylon) neboli kampešky, který poskytuje modrou barvu, chromium kobalt aluminium oxid nebo ferric ammonium citrate pyrogall.

4.1.6 ZkouöenÌ, uchov·v·nÌ a balenÌ nevst¯ebateln˝ch nitÌ Zkoušení totožnosti Nevstřebatelné nitě se dokazují chemickými zkouškami. Materiály přírodního původu se dokazují mikroskopickým hodnocením morfologie těchto vláken. Syntetické materiály se dokazují infračervenou absorpční spektrofotometrií nebo diferenciální snímací kalorimetrií. Zkoušení při výrobě Při výrobě se hodnotí standardní průměr, dostatečná původní pevnost a pevné spojení s jehlou. Tyto požadavky jsou vztaženy k namáhání, kterému je nit podrobena za normálních podmínek používání. Uchovávání, balení a značení Používají se vhodné obaly, které zachovávají sterilitu a umožňují vyjmutí a použití v aseptických podmínkách. Ukázka balení je na obr. 4.4 a 4.5. Spotřebovávají se ihned po vyjmutí z obalu a slouží k jednorázovému použití. Nitě v individuálních obalech se uchovávají ve vnějším obalu, který uchovává jejich fyzikální a mechanické vlastnosti. Každý vnější i vnitřní obal musí být označen následujícími údaji: • Číslo nitě • Délka v centimetrech nebo metrech • Možnost oddělení jehly, je-li požadováno • Název produktu • Použití • Barva, je-li požadováno • Struktura (splétaná, monofilamentní, povrstvená), je-li požadováno 53

2 dil kap 4.p65

53

28.7.2008, 14:01

Obr. 4.4 a 4.5: Uk·zka moûnÈho zp˘sobu balenÌ chirurgick˝ch nitÌ. Do krabice vlevo se umÌsùujÌ s·Ëky, ve kter˝ch je vûdy po jednom kusu chirurgickÈ nitÏ.

4.1.7 P¯ehled chirurgick˝ch nitÌ spoleËnosti Chirmax V tabulce 4.2 jsou uvedeny vybrané chirurgické nitě včetně jejich použití vyráběné společností Chirmax.

VSTÿEBATELN… NITÃ N·zev

Materi·l

Barva vl·kna

PouûitÌ

Monolac

syntetick˝ monofil fialov·, k˘ûe, z polymeru p¯ÌrodnÌ GIT anastomÛzy, kyseliny glykolovÈ urologie, a Â-kaprolaktonu gynekologie

Vst¯ebatelnost

SpecifickÈ vlastnosti

po 7 dnech 60 % (barven˝) a 50 % (nebarven˝), po 2 t˝dnech 30 % (barven˝) a 20 % (nebarven˝), p˘vodnÌ mechanickÈ pevnosti, kompletnÌ resorpce po 90 aû 120 dnech, probÌh· hydrol˝zou

minim·lnÌ akutnÌ z·nÏtliv· reakce

54

2 dil kap 4.p65

54

28.7.2008, 14:01

Chirlac rapid braided †

syntetick˝ pleten˝ fialov·, obecn·, plastick· potahovan˝ p¯ÌrodnÌ a oËnÌ chirurgie, z polymeru gynekologie, kyseliny glykolovÈ stomatochirurgie (k˘ûe, podkoûÌ, episiotomie, sliznice, spojivka, vöude, kde je vhodn· kr·tkodob· podpora r·ny a rychl· resorpce)

po 5 dnech 60 % p˘vodnÌ mechanickÈ pevnosti, ztr·ta pevnosti po 12 aû 14 dnech, probÌh· hydrol˝zou

povrchov· ˙prava polykaprolaktonem a stear·tem v·pnÌku, minim·lnÌ tk·Úov· reakce

Chirlac braided

syntetick˝ pleten˝ fialov·, obecn·, plastick· potahovan˝ p¯ÌrodnÌ a oËnÌ chirurgie, z polymeru ortopedie, kyseliny glykolovÈ traumatologie, gynekologie, neurochirurgie (mÏkkÈ tk·nÏ, st¯eva, svaly, fascie, GIT anastomÛzy, parenchymovÈ org·ny, podvazy drobn˝ch cÈv, ligatury

po 14 dnech 75 %, po 3 t˝dnech 50 % p˘vodnÌ mechanickÈ pevnosti, kompletnÌ resorpce po 80 aû 90 dnech, probÌh· hydrol˝zou

povrchov· ˙prava polykaprolaktonem a stear·tem v·pnÌku, minim·lnÌ tk·Úov· reakce

Polydox

syntetick˝ monofil fialov· z polymeru polyesteru poly-p-dioxanonu

po 6 t˝dnech 50 % p˘vodnÌ mechanickÈ pevnosti, do 90 dn˘ po implantaci resorpce minim·lnÌ, kompletnÌ resorpce mezi 180 aû 210 dny, probÌh· hydrol˝zou

minim·lnÌ akutnÌ z·nÏtliv· reakce, prodlouûen· podpora r·ny (aû do 6 t˝dn˘)

obecn· chirurgie, ortopedie, gynekologie, urologie (fascie, svaly, GIT anastomÛzy, mÏkkÈ tk·nÏ, vazy, vhodn˝ pro pomalu se hojÌcÌ tk·nÏ, kterÈ vyûadujÌ delöÌ jiötÏnÌ r·ny)

55

2 dil kap 4.p65

55

28.7.2008, 14:01

NEVSTÿEBATELN… NITÃ N·zev

Materi·l

Barva vl·kna

PouûitÌ

Vst¯eba- SpecifickÈ telnost vlastnosti

Chiraflon syntetick˝ monofil modr· polyvinylidendifluorid, PVDF

cÈvnÌ chirurgie, kardiochirurgie, ortopedie, plastick· a oËnÌ chirurgie (cÈvy, ölachy, fascie, intraderm·lnÌ steh)

ñ

inertnÌ vl·kno, nedr·ûdivÈ, optim·lnÏ hladkÈ, v˝bornÏ uzlitelnÈ, slab˝ pamÏùov˝ efekt, nepodlÈh· enzymatickÈ degradaci

Chiralen

syntetick˝ monofil modr· polypropylen

kardiovaskul·rnÌ chirurgie, ortopedie, plastick· a oËnÌ chirurgie (cÈvy, fascie, ölachy, intraderm·lnÌ steh)

ñ

inertnÌ vl·kno, nedr·ûdivÈ, optim·lnÏ hladkÈ a hydrofobnÌ, nepodlÈh· enzymatickÈ degradaci

Silon monofil

syntetick˝ monofil modr·, k˘ûe, oËnÌ polyamid - 6 Ëern· chirurgie

ñ

hladk˝ neporÈznÌ povrch, vysok· pevnost v uzlu, degradace po jednom roce

Tervalon

syntetick˝ pleten˝ zelen· polyester s povrchovou ˙pravou

obecn·, plastick·, ñ kardiovaskul·rnÌ chirurgie, vöude tam, kde je pot¯eba absolutnÌ nevst¯ebatelnosti

mimo¯·dnÏ velk· pevnost, v˝born· sn·öenlivost v tk·ni, povrchov˝ potah polymerem, nepodlÈh· enzymatickÈ degradaci

Tervalon Plus

syntetick˝ pleten˝ zelen·, speci·lnÌ pleten˝ polyester bÌl· öicÌ materi·l s povrchovou vhodn˝ pro ˙pravou PTFE kardiovaskul·rnÌ chirurgii, absolutnÏ nevst¯ebateln˝, potaûen˝ PTFE

Silon braided

syntetick˝ pleten˝ bÌl· polyamid

ñ

obecn· chirurgie, ñ neurochirurgie (svaly, fascie, peritoneum, GIT, bronchy, podvazy)

mimo¯·dnÏ velk· pevnost, v˝born· sn·öenlivost v tk·ni, povrchov˝ potah, nepodlÈh· enzymatickÈ degradaci, nÌzk· kapilarita nitÏ, hladk˝ pr˘chod tk·nÏmi Orsilon m· Ë·steËnou povrchovou ˙pravu sniûuje kapilaritu nitÏ, vl·kno m· zv˝öenou pevnost, degraduje po jednom roce

56

2 dil kap 4.p65

56

28.7.2008, 14:01

Orsilon braided Silk braided

p¯ÌrodnÌ pletenÈ hedv·bÌ

Ëern·

Silk twisted

p¯ÌrodnÌ skanÈ hedv·bÌ

bÌl·

obecn·, oËnÌ chirurgie, stomatochirurgie

ñ

nÌzk· taûnost, mÏkkost, poddajnost, snadn· uzlitelnost, degradace po jednom roce

Tabulka 4.2: VybranÈ chirurgickÈ nitÏ a jejich pouûitÌ

4.2 ObvazovÈ materi·ly Obvaz je podle medicínského slovníku léčebné nebo preventivní ovinutí části těla textilií, eventuálně v kombinaci s dalšími předměty (např. dlaha) nebo hmotami (např. sádra, škrob, pryž, plast či lepidlo). Ke zhotovení obvazu slouží obvazový materiál, a to z materiálů přírodních nebo částečně či zcela syntetických. Nejčetnější jsou obvazy, které jsou zhotoveny pomocí obinadla. Pokud se jedná o vysvětlení slova obinadlo, jde o pruh textilie určené k užití jako samostatné obvazy nebo jako součást obvazu. Základem obinadlového obvazu jsou jednotlivé obtáčky určité části těla.

4.2.1 RozdÏlenÌ obvaz˘ Obvazové materiály jsou ve většině případů produkty na bázi vláken a slouží k zastavování krvácení, absorpci sekretů, aplikaci mastí, ke krytí ran a k podpoře různých částí těla. V širší souvislosti sem můžeme zařadit i obvazové materiály, které slouží pro terapeutické účely. Obvazové materiály se liší konstrukcí a použitím surovin při výrobě. Zcela přesně rozdělit obvazy je takřka nemožné, protože existuje mnoho obvazových materiálů, které se často používají v kombinacích k různým účelům. Hněvkovský rozděluje obvazy dle účelu použití, kterému obvaz slouží, nebo podle materiálu, ze kterého je obvaz zhotoven. Rozdělení obvazů dle funkce a účelu použití Krycí obvazy – slouží k ochraně ran všeho druhu (chirurgických, v rámci první pomoci, nádorových defektů apod.). Vlastní krytí rány je zajištěno sterilním mulovým materiálem bez jakýchkoliv léčivých substancí nebo s různými mastmi, gely, antiseptiky, absorpčními prostředky atd. Mulové krytí je připravované 57

2 dil kap 4.p65

57

28.7.2008, 14:01

individuálně zdravotníkem nebo komerčně různými firmami. Kryje vlastní ránu a retence je následně dosaženo přiložením obvazového materiálu ve formě obinadlového nebo náplasťového obvazu. Odsávací obvazy – jejich účelem je odsávání raných sekretů z dekubitálních ploch, secernujících ran, granulací, vlhkých kožních lézí atd. V principu se jedná o materiál s jistou jímací schopností, kdy je vlastní sací kryt rány opět připevněn obvazovým materiálem. Tento typ obvazů je nutno vyměňovat častěji. Nejčastěji jsou pro savé obvazy používány textilie jako mulová tkanina, kombinované kompresy z netkaného textilního rouna a kompresy z pěnové hmoty. Vynikající je tzv. interaktivní krytí na rány pro vlhké ošetřování ran, jako jsou kompresy z alginátu vápníku, kompresy se superabsorpční látkou v savém polštářku, hydrokoloidní nebo gelové obvazy. Interval výměn je individuální, určen charakterem onemocnění i ostatními okolnostmi.

Obr. 4.6: Ods·vacÌ obvaz [P¯evzato: http://cz.hartmann.info] Tlakové (kompresní) obvazy – jsou určeny jednak ke kompresní léčbě zejména chorob žilní soustavy, jednak v rámci první pomoci jako opatření k zastavení krvácení. Ke kompresi venózního systému zejména dolních končetin jsou vhodná a používána elastická obinadla, někdy též podkolenky nebo punčochy s různou hodnotou svěracího účinku. Další možností je aplikace pružného krytí náplasťového rázu, komerčně připravených obinadel charakteru zinkoklihového obvazu. Ke stavění krvácení se používá aseptické krytí ve větší vrstvě. To je připevněno pomocí krycího obinadla přiloženého různě silným tahem, odpovídajícím původu krvácení (žilní nebo tepenné). Kompresivní obvazy rozlišujeme podle druhu obinadel na dlouhotažná, středně tažná a krátkotažná. Krátkotažná obinadla mají vysoký pracovní tlak a nízký klidový tlak. Mohou být tedy přiložena i v době odpočinku a spánku, po celých 24 hodin. Používají se k dlouhodobé bandáži i u imobilních pacientů. Svou malou tažností vyvíjejí tlak, který ovlivňuje patologické poměry v hlubokém žilním systému. 58

2 dil kap 4.p65

58

28.7.2008, 14:01

Přikládají se i přes noc a mohou zůstat na končetině až tři dny. Tato obinadla se většinou používají k zahájení i pokračování kompresivní terapie až do úplného vymizení otoku, popřípadě vyhojení bércového vředu. Jsou málo pružná, mohou být proto při aplikaci více utažena, aby nedošlo k jejich uvolnění. Existují v různém textilně-technologickém provedení. Je-li dosahováno pružnosti obinadel použitím bavlněných přízí s vysokým tkacím zákrutem, jsou tato obinadla označována jako textilně elastická. Jako trvale elastická jsou označována obinadla, dosahuje-li se pružnosti použitím plně syntetických nití v osnově. Pro tento účel se používají převážně tvarované polyamidové nitě, jejichž stupeň elasticity je možno zvolit natolik nízký, aby splňovaly požadavky kladené na obinadla s krátkým tahem. Jejich tažnost se pohybuje v rozmezí 60 % až 90 % tak, aby se dosáhlo požadovaného vysokého pracovního a nízkého klidového tlaku.

Obr. 4.7: Trvale elastickÈ kr·tkotaûnÈ obinadlo [P¯evzato: http://cz.hartmann.info]

Středně tažná obinadla mají tažnost od 90 % do 140 %, jejich klidový a pracovní tlak je mírný, lehce se přikládají, na noc se snímají, protože představují nebezpečí arteriální okluze. Vhodná jsou při čerstvém zánětu žil a u posttrombotického městnání. Dlouhotažná obinadla mají nízký pracovní a vysoký klidový tlak. Používají se ke krátkodobé bandáži, zvláště při pohybu, kdy se zapíná žilně svalová pumpa. Nepoužívají se v klidu a během spánku. Dobře kopírují tvar končetiny, vytvářejí relativně rovnoměrný tlak, který ale působí jen na povrchový žilní systém. Tato obinadla se používají k doléčení a k udržení dosaženého stavu. Účinek obinadla záleží na správném přiložení. Končetina musí být v horizontální poloze. Otáčky obinadla se překrývají nejméně o dvě třetiny. Čím více vrstev, tím větší tlak i účinnost kompresivní terapie. Jejich roztažnost se pohybuje přes 140 %. Obkladové obvazy – slouží k léčbě pomocí aplikace různých fyzikálních vlivů (teplé nebo chladné obvazy) nebo léčivých mastí či gelů. Léčiva jsou apliková59

2 dil kap 4.p65

59

28.7.2008, 14:01

na na nosičích většinou charakteru mulu, připevněného obvykle na větší plochu pomocí obvazu šátkového nebo obinadlového. Imobilizační (fixační) obvazy – znehybňují požadovanou část těla, zejména kloub nebo zlomenou kost a dva klouby přilehlé. Bývají zhotoveny z materiálů tuhnoucích nebo kombinací měkkých materiálů a zpevňujících dlah. Podpůrné obvazy – zhotovené většinou z tuhnoucích materiálů, slouží k podepření určité části těla nebo k zamezení pohybu určitým směrem. Příkladem podpůrného obvazu je sádrový korzet. Extenční (stahující) obvazy – kombinací tahu a částečné imobilizace vyrovnávají zkrácení na končetinách způsobené zlomeninou. Korekční (redresní) obvazy – působí tlakem nebo tahem tak, aby se pozvolna změnilo postavení nebo aby se zajistil růst správným směrem, příkladem jsou obvazy pro léčení skolióz. Plastické obvazy – obvazy na bázi akrylátového kopolymeru, jsou vhodné ke krytí menších asepticky ošetřených ran či jejich sutur, někdy též po vyjmutí stehů k zajištění klidného dozrání sutury. Obvaz po nanesení zasychá do tří minut a vytváří voděodolnou ochrannou vrstvu. Plastická ochrana zabraňuje přístupu mikroorganismů ze zevního prostředí, přitom ale nezabraňuje přirozené perspiraci pokožky. Rána zůstává uzavřená před nepříznivými vlivy, proces hojení pod plastickou vrstvou obvazu však probíhá. Obvaz je ve vodě nerozpustný. K odstranění obvazu dojde samovolně po třech až čtyřech dnech postupně probíhajícím zeslabením plastické vrstvy jejím odíráním při běžně prováděných činnostech. Nepoužívá se pro překrytí ran s masivním krvácením. Rozdělení obvazů dle použitého materiálu Náplasťové obvazy – jedná se zejména o náplasti tzv. kaučukového typu (leukoplast), používané velmi často k připevnění vlastního krytí rány. Všeobecně

Obr. 4.8: TapovacÌ fixaËnÌ p·ska [P¯evzato: http://cz.hartmann.info] 60

2 dil kap 4.p65

60

28.7.2008, 14:01

rozšířené je používání tzv. rychloobvazu, který je určen zejména ke krytí menších poranění nebo po menších zákrocích. Významné je použití různě širokých a dlouhých pruhů náplastí k udržení některé části organismu v klidu. Ve sportovním lékařství se náplasťové obvazy používají k tzv. tejpování (zpevňování kloubů). Šátkové obvazy – ke zhotovení šátkového obvazu se nejčastěji používá trojcípý šátek vyrobený z kalika tvaru rovnoramenného trojúhelníku rozměrů 80 x 80 x 113 cm. Použití šátkového obvazu je především v terénu při poskytování první pomoci. Šátkové obvazy se přikládají bud’ přímo na kůži, nebo na krycí obvaz. Šátek lze použít ve formě pásky, vzniklé přeložením šátku na užší rozměry, k obvazu oka, čela, krku a končetin. V rámci první pomoci lze veškerá poranění horní končetiny řešit pomocí šátkového závěsu (mitella). Šátkové obvazy jsou dále vhodné při první pomoci v oblasti hlavy, prsou a krajiny stydké. Obinadlové obvazy – obinadlové obvazy patří mezi nejčastěji používané, díky svému tvaru jimi lze ovinout, jakoukoliv část těla. Tvoří velmi různorodou skupinu a rozlišují se především podle materiálu, z kterého jsou zhotoveny. V současnosti jsou nejčastěji používána obinadla pletená kaliková a elastická. Pomocí těchto obinadel jsou vytvářeny obvazy končetin (hoblinové) sestupné nebo vzestupné, překládané obvazy, hadové obvazy k připevnění dlah a obvazy k ošetření kloubů (spiky nebo testuda). Moderní skupinou jsou tzv. tubulární (hadicové) obvazy, sloužící k obvazu prakticky všech poraněných částí těla. Základem těchto hadicových obvazů je pružný trikotýnový obvaz typu pruban.

Obr. 4.9: Vysoce elastick˝ sÌùov˝ obvaz pod n·zvem Pruban [P¯evzato: http://cz.hartmann.info]

Sádrové obvazy – sádrový obvaz je stále nejrozšířenějším způsobem spolehlivé imobilizace prakticky kterékoliv části lidského těla. V současnosti se používají již výhradně průmyslově vyrobená sádrová obinadla, která mají četné výhody. Základem pro zhotovení nebo ke zpevnění sádrových obvazů je sádrová dlaha (longeta). Zhotovuje se skládáním obinadla vhodné šíře do vhodné délky (cca 61

2 dil kap 4.p65

61

28.7.2008, 14:01

o 10 % delší než naměřená délka, protože se při namočení longeta zkrátí) a po krátkém namočení se přikládá na požadované místo. V současnosti je jednoznačný příklon ke zhotovování pouze podložených sádrových obvazů. Podkladem je rourovitý obvaz „punčoška“ přesahující na obou koncích plánovanou délku obvazu o několik centimetrů, na něm obvazová vata v přiměřené tloušťce včetně zvláštního vypodložení míst rizikových pro otlaky. Vata je přichycena hydrofilním obinadlem. Na takto připravený podklad se přikládají sádrové dlahy nebo tury sádrového obinadla, případně v kombinaci. Sádrový obvaz tuhne po třech až pěti minutách, úplné vyschnutí a maximální pevnost však dosáhne až po 36–72 hodinách, v závislosti na teplotě a vlhkosti prostředí.

Obr. 4.10: S·drov˝ rychloobvaz [P¯evzato: http://cz.hartmann.info] Sádrové obvazy jsou zhotovované v následujících provedeních: • Sádrová dlaha (jedna nebo více) – zajišťuje dostatečnou pevnost obvazu, použití samotné dlahy snižuje riziko poruch prokrvení periferie, u čerstvých úrazů se používá takřka výlučně, po odeznění otoku se obvaz může přiměřeně dotahovat obinadlem. • Cirkulární sádrový obvaz – slouží především jako definitivní obvaz po úrazech, kdy se doplněním cirkulárních tur zpevňují původní sádrové dlahy, podmínkou je úplné odeznění otoku tj. nejdříve třetí až čtvrtý den po úraze, plný sádrový obvaz vykazuje největší pevnost a odolnost. • Snímací sádrový obvaz – je možné opakovaně, snadno odstranit a znovu připevnit, což bývá nezbytné při ošetřování ran kůže. Zhotovuje se obvykle ve formě podložené sádrové dlahy, která se připevňuje elastickým obinadlem.

4.2.2 Materi·ly pro zhotovov·nÌ obvaz˘ Obvazy ve zdravotnictví jsou vyrobeny z různých materiálů a z důvodu úzkého styku s lidským tělem jsou na ně kladeny vysoké nároky. Materiály pro výrobu 62

2 dil kap 4.p65

62

28.7.2008, 14:01

obvazů musejí být netoxické, nealergické, nekarcinogenní, odolné vůči podmínkám sterilizace (beze změn fyzikálních a chemických vlastností), musí respektovat základní fyziologické předpoklady, současně musejí být ekonomicky přijatelné a přiměřeně estetické. Ostatní vlastnosti materiálů se odvíjejí především od funkce a účelu použití obvazu. Mezi tyto vlastnosti patří například dobrá sorpce (obvazy pro ošetřování ran), vysoká e1asticita (kompresní obvazy) atd. Používané suroviny Z textilních surovin pro výrobu obvazů se nejvíce uplatňují přírodní materiály – bavlna a celulóza (viskózová vlákna) a jejich směsi, které se používají ve formě vaty, tkanin, pleteniny nebo netkané textilie. Dále se používají syntetické materiály, jako je polyamid a polyester, které se ve velké míře směsují s bavlnou a viskózou. V menší míře se používá polypropylen, polyuretan, elastomerová vlákna (opředená nebo neopředená), která nacházejí uplatnění zejména při výrobě kompresních obinadel. Klasické obvazové materiály Rozlišujeme několik skupin materiálů, ze kterých se zhotovují obvazy: Tkaniny Tkaniny vznikají tkaním z přízí, kdy se dvě soustavy nití proplétají v určitém pořádku (vazbě). V praxi se nejčastěji používá následujících tkanin: • Hydrofilní gáza, mul – řídká bílá tkanina z čisté bavlny nebo s příměsí viskózy, zhotovují se z ní mulové čtverce, tampony a longety (sterilní i nesterilní). • Režné obvazové kaliko – hustší tkanina nahnědlé barvy, má vyšší pevnost, často se z ní zhotovují trojcípé šátky. • Tylexol – tkanina s velkými očky podobná tylu, nejčastěji se používá ve formě tzv. mastného tylu, tj. zalitý vazelínou a vysterilizovaný, ke krytí raných ploch. • Trikot – hadicová textilie, používá se jako podklad pod pevné škrobové nebo sádrové obvazy. Obinadla Obinadla jsou vyráběna buď technologií tkaní, nebo technologií pletení. • Hydrofilní obinadla – vznikají řezáním rolované hydrofilní gázy, obvyklé šířky jsou 4–20 cm, jsou dodávána buď nesterilní, nebo sterilní, mohou mít pevný okraj. 63

2 dil kap 4.p65

63

28.7.2008, 14:01

• Škrobová obinadla – vznikají napuštěním hydrofilní gázy škrobovým mazem, používají se jako zpevňující materiál pro obvazy z měkkých materiálů (např. sádrové dlahy nebo Desaultův obvaz), před použitím se máčejí do teplé vody, k promáčení obvazu je třeba hnětení. Škrobová obinadla se schnutím smršťují, což může při nesprávné aplikaci vést k závažným komplikacím, proto je třeba škrobové obvazy méně utahovat a vždy dokonale podložit vatou a mulovým obinadlem. • Zinkoklihová obinadla – vyrábějí se natíráním hydrofilních obinadel pastou obsahující želatinu, glycerin, NaCl a ZnO, používají se hlavně při léčbě otoků, bércových vředů ve fázi hojení a také jako následná péče u zlomenin. • Elastická obinadla – vyrábějí se z režné bavlněné příze, jejich vysoká tažnost cca 130 % je zajištěna zatkáním krepových nití s vysokým stupněm zákrutu, zatkáním dvou osnov (jedné pod větším a druhé pod menším napětím) nebo použitím elastomerových vláken. • Hadicová obinadla – jsou u nás známá pod názvem Pruban. Jde o pružnou síťovinu, sloužící k fixaci měkkých obvazů, vyrábějí se ze směsi bavlny a polyamidu s použitím elastomerových vláken. Používají se jako zpevňující a extenzní obvazy. Jsou sterilizovatelné, dají se vyvářet a jsou k dostání v různých tvarech a velikostech (např. pro prsty, hlavu, paži, stehno). • Polstrovací obinadla – používají se na ochranu pokožky při přiložení sádrových obvazů nebo jako podkladová výplň k ochraně kloubů při sádrovacích technikách. Jedná se například o speciální obinadla ze syntetické vaty. Jsou vyrobena ze zkadeřených nesavých polyesterových vláken s vysokou pružností i při trvalém mechanickém zatížení. Jsou propustná vůči vzduchu, sekretům a působí na vyrovnávání teplotních rozdílů. • Obinadla ze skelných vláken impregnovaná polyuretanovými pryskyřicemi – tzv. obinadla typu cast sestávají z pleteniny ze skleněných vláken, impregnované polyuretanovou pryskyřicí, která se aktivuje vodou. Materiál vytvrdne během pěti minut a po třiceti minutách ho lze plně zatěžovat, což je významnou výhodou pro pacienta. Výhodou je rychlá a snadná aplikace plynulé odmotávání a snadné tvarování, rychlé tvrdnutí a velmi dobré spojení jednotlivých vrstev. • Sádrová obinadla – poprvé použitá holandským vojenským lékařem Mathysenem v r. 1852. Sádrová obinadla se dlouho vyráběla buď ručně posypáváním hydrofilního obinadla rozemletou sádrou, nebo pomocí různých strojků. Výrazný pokrok znamenalo zavedení průmyslově vyráběných sádrových obinadel, kde sádra (síran vápenatý, chemicky CaSO4) je přichycena na hydrofilní obinadlo zvláštními koloidními substancemi, takže se nesype, rychle se 64

2 dil kap 4.p65

64

28.7.2008, 14:01

namočí, rychle tuhne a dobře se tvaruje. Zhotovený obvaz je pevnější při nižší hmotnosti. Vyrábí se v šířkách cca 8-20 cm a délce 4-5 m. Sádrová obinadla se používají ke zhotovení sádrových obvazů a sádrových dlah. • Termoplastická obinadla z polyesteru – lze je přikládat bez rukavic a nelepí se na kůži. Sestávají z polyesterové pleteniny ve spojení s termoplastickým polyesterovým materiálem. Obvaz se aktivuje působením tepla (např. vodní lázeň o teplotě min. 70 °C), a tím se stává tvarovatelným. Může být používán bez předchozího polstrování, je propustný pro vzduch a vodní páry, rentgenové záření a je odolný proti vodě. Lze jej zatěžovat již po 15 minutách. Vlákniny Do této skupiny patří obvazová a buničitá vata. Vatou rozumíme z textilního hlediska ojednocená vlákna, která spolu drží přirozenou soudržností. Všeobecně jsou při výrobě na sebe vrstveny jednotlivé vrstvy pavučiny. Surovinami pro výrobu vaty jsou bavlna nebo viskóza. Obvazová vata se používá jako podklad pod sádrové nebo škrobové obvazy. U obvazové vaty jsou rozlišovány tři různé kvality vaty dle použitých vláken: • vata ze 100% bavlny, bělená, délka vláken 10–35 mm • vata ze 100% viskózových vláken, délky 25–50 mm, jemnost 1,7 dtex až 3,3 dtex , • vata z bavlny nebo viskózy ve stejném poměru. Buničitá vata je druh netkané textilie lisované do plátů. Připravují se z ní obinadla na obalování drátěných dlah, čtverce o různé velikosti a další zdravotnický materiál (Raupová, 2007). Látky ztužující obvazy Některé obvazové textilie je možné dle potřeby napustit určitými látkami, které je zpevňují. Těmito látkami jsou například sádra, škrob, zinkoklih, polyuretanová pryskyřice. Takto upravené obvazy se používají na zpevnění poraněných kloubů a kostí nebo slouží ke znehybnění některé části těla při poranění nebo operaci. Dále sem patří různé typy dlah a dýh vyrobené z kovu nebo plastu. Moderní „terapeutické“ obvazové materiály Moderní trend léčby ran je tzv. vlhké hojení. Zjistilo se, že rána se hojí rychleji a kvalitněji ve vlhkém prostředí s permeabilním obvazem, než když se spodina rány udržuje suchá a vystavená vzduchu. Tyto terapeutické obvazy lze rozdělit do základních skupin, kterými jsou 65

2 dil kap 4.p65

65

28.7.2008, 14:01

neadhezivní kontaktní obvazy, antiseptická krytí, obvazy s aktivním uhlím, hydrokoloidní a hydrogelové obvazy, alginátové obvazy, polyuretanové pěnové obvazy a transparentní krytí. Existuje i spousta krytí kombinujících výše uvedené materiály. Pro správný výběr krytí je důležité posouzení stavu rány (nekróza, granulace, epitalizace), míra, jak rána seceruje, a také přítomnost infekce. Jejich hlavní výhodou oproti klasickým obvazům je prodloužení intervalů mezi jednotlivými převazy na několik dní, čímž se šetří spotřeba obvazového materiálu a snižuje zátěž ošetřujícího personálu. Bolest při převazech je mírnější, někdy až nulová, a tím je pozitivně ovlivněna psychika pacienta. Velkou výhodou je ambulantní léčba pacientů. Neadhezivní kontaktní obvazy – jde o krytí ze síťových materiálů bez samolepícího okraje, které je propustné pro vodu a kyslík. Své uplatnění nachází především u povrchových ran. Tyto obvazy nahrazují tyl, brání přilnutí k ráně a mohou být impregnovány mastí. Nejčastěji je použit bavlněný, viskózový, popř. polyamidový materiál. Vlhké gázové krytí je relativně levné. Musí se ale měnit minimálně dvakrát až třikrát denně, což péči značně prodražuje. Síťový materiál musí být upevněn sekundárním krytím nebo páskou. Antiseptické obvazy – jsou vyrobeny z netkaného porézního materiálu a napuštěny antimikrobiální látkou, jež eliminuje infekci. Tyto obvazy mají široké spektrum použití. Zabraňují vstupu infekce do rány nebo již vzniklou infekci likvidují. Nemají ovšem absorpční schopnost, proto vyžadují sekundární krytí, které je možné vyměňovat, a přitom antiseptický obvaz ponechat na ráně. U některých pacientů může obvaz vyvolat alergickou reakci na antimikrobiální látku (např. jód). Obvazy s aktivním uhlím – jsou složeny z tkaniny obsahující aktivní uhlí, jež adsorbuje mikroby a pach. Z tohoto důvodu jsou používané u povleklých a zapáchajících defektů. Jelikož většinou nemají savou vrstvu, je nutné použít sekundární absorpční krytí.

Obr. 4.11: Obvaz s†aktivnÌm uhlÌm [P¯evzato: http://www.zelenahvezda.cz/zdravotnicke-potreby/askina-r-carbosorb] 66

2 dil kap 4.p65

66

28.7.2008, 14:01

Hydrokoloidní obvazy – tyto obvazy sestávají z polyuretanové fólie a savé vrstvy hydrokoloidu. Vrstva hydrokoloidu vytváří ideální vlhké klima, podporuje granulaci a růst tkáně (epitelizace). Při kontaktu s ránou vsákne sekret, hydrokoloid nabobtná a ideálně se přizpůsobí povrchu rány. Polopropustná polyuretanová nosná fólie chrání ránu spolehlivě před mikroorganismy a vlhkostí, dovoluje výměnu plynů, a redukuje tak množství vodních par. Pro svoje složení může zůstat na ráně až týden. Obvaz podporuje hojení rány, ale nesmějí být přítomny projevy infekce rány a příliš velká sekrece. Není třeba sekundární krytí. Hydrogelové obvazy – mezi tento druh obvazů se řadí obvazy z hydrofilních polymerů, které reagují s vodními roztoky. Hydrogelové obvazy vstřebávají a uchovávají vodu ve svých strukturách. U některých obvazů je udáván až 96% obsah vody. Forma gelu zajišťuje dobré vyplnění ran. Používají se u ran, které vyžadují hydrataci, změkčení a odloučení odumřelé tkáně při dodržení podmínek vlhkého hojení ran. Podporují hojení v granulační i epitelizační fázi. Po aplikaci chladí, a tím snižují bolest. Krycí vrstva z polyuretanové fólie slouží proti pronikání mikroorganismů, nečistot a vody.

Obr. 4.12: HydrogelovÈ krytÌ [P¯evzato: http://www.viacell.cz] Alginátové obvazy – algináty jsou výtažky z hnědých mořských řas. Léčebný efekt těchto řas je znám po staletí, kdy námořníci přikládáním řas léčili různé rány a poranění, proto byly také nazývány „námořnická léčba“. Alginát je polysacharid, který je složený z kyseliny guluronové a manuronové. Vlastnosti jednotlivých alginátů jsou odvozeny z poměru těchto dvou látek v produktu. Alginátová krytí se vyznačují značnou absorpční schopností. Vlákna alginátu se působením sekretu z rány změní v nepřilnavý gel, který účinkuje jako vlhký obvaz. Současně se sekretem rány pojímají zbytky odumřelých buněk a bakterie, čímž je rána čištěna. Tyto nepřilnavé obvazy musejí být zakryty sekundárním krytím nebo obvazem, neměly by být použity na suché rány. 67

2 dil kap 4.p65

67

28.7.2008, 14:01

Pěnové polyuretanové obvazy – polyuretanové obvazy jsou většinou tvořeny několika vrstvami. Mechanismus účinku a terapeutické vlastnosti jsou dány diferencovanou strukturou dvou vrstev pěnové hmoty. Spodní strana s otevřenými póry a hutná krycí vrstva s jemnými póry jsou spolu neoddělitelně spojeny termicky bez použití lepidla. Kontaktní vrstva umožňuje absorpci do vrstvy, jež v přítomnosti sekretu nabobtnává. Vnější vrstva bývá semipermeabilní (polopropustná) a je průchozí pro plyny a částečně i pro vodní páry. Obvazy se používají k čištění ran a k podpoře procesu granulace u ran se špatnou tendencí k hojení. Filmové obvazy – obvazy z polyuretanu mají formu průhledné fólie s celoadhezivní úpravou. Transparentní polyuretanová krytí chrání povrch rány a tvoří bariéru proti vstupu bakterií. Používají se v případě léčby povrchových defektů nebo jako krytí sekundární. Polopropustné polyuretanové filmy propouštějí plyny, jsou ale nepropustné pro vodu. Z důvodu jejich průhlednosti může být rána kontrolována přímo bez odstraňování krytí z rány. Filmy napodobují funkci kůže. Tyto filmy se běžně užívají při léčení dekubitů. Obvazy se stříbrem – jedná se o krytí, kde je stříbro aplikováno na nosném materiálu, který udává fyzikální vlastnosti těchto obvazů. Například algináty se stříbrem mají využití tam, kde se používají samotné algináty, ale infekce a samotný alginát nemá požadovaný antimikrobiální efekt, který je v tomto případě zajištěn přítomností stříbra. Ionty stříbra reagují s DNA bakterie již po dvou hodinách, a tím zabraňují dalšímu množení a funkcím bakteriální buňky. Na plošné defekty se používají obvazy se stříbrem v pěně.

Obr. 4.13: Obvaz se st¯Ìbrem [P¯evzato: http://www.zelenahvezda.cz/ zdravotnicke-potreby/askina-r-cargitrol-r-ag]

68

2 dil kap 4.p65

68

28.7.2008, 14:01

4.2.3 V˝robnÌ technologie Tkané obvazy Při výrobě obvazových materiálů je zakázáno používání š1ichtovacích prostředků. Většina obvazovin ze syntetických materiálů se tká na jehlových tkacích strojích, u nichž odpadá soukání útku. Útek se souká pouze pro člunkové stavy, na nichž se vyrábí pouze minimální sortiment obvazovin převážně z bavlny a viskózy. Tkací stavy na výrobu obvazovin rozdělujeme dle zanášení útku na stavy člunkové a jehlové. Člunkové stavy jsou stále více nahrazovány stavy jehlovými, protože jsou výkonnější a ekonomičtější. Výhodou člunkových stavů je, že výrobky mají stejné kraje na obou stranách a nezdvojený útek v prošlupu. Nevýhodou je malá zásoba útkové nitě u prohazované útkové cívky. Při výrobě obvazů se používají stuhařské jehlové stroje, kde je útek odebírán z křížové cívky jehlou ve tvaru vlásenky a je jí zanášen do prošlupu. V prošlupu je útek zdvojený. Jeden kraj tkaniny je pevný a druhý se zpevňuje zachycováním útkové smyčky. Při zanášení útku jehlou se uplatňují dva způsoby zachycování smyčky: • záchytnou nití, • pletením řetízku (nejčastější způsob). Pletené obvazy Technologií pletení jsou vyráběny především kompresní obvazy. Kvalitativně hodnotné kompresivní pletené obvazy jsou většinou upleteny ze dvou až třech soustav nití. První nit textilního materiálu, která tvoří očka, má omezenou nebo nulovou elasticitu. Dalo by se říct, že drží pleteninu dohromady a ovlivňuje mechanickou trvanlivost. Druhá, silnější vložená nit způsobuje samotnou kompresi. U okrouhle pletených punčoch je použita i pro vytvoření správného tvaru. Bez této nitě není možné vytvořit silně komprimující, dobře tvarované a trvanlivé obvazy. Třetí, elastická nit tvořící očka umožňuje podélnou elasticitu, čímž se zlepšuje rozměrová stálost a obvazy se lépe nosí. Tyto obvazy se zhotovují buď na plošných, nebo maloprůměrových pletacích strojích. Na plošných pletacích strojích se ve většině případů zhotovují obvazy ze zátažné pleteniny. Hlavní předností plošného pletení je možnost neomezeného ubírání a přidávání jehel na okrajích pleteniny. Tím je možné vytvoření obvazu libovolného tvaru a velikosti. 69

2 dil kap 4.p65

69

28.7.2008, 14:01

Na maloprůměrových okrouhlých pletacích strojích se vyrábějí tubulární obvazy bez švů z osnovní pleteniny. U okrouhlého pletení jsou jehly v kruhu, počet jehel a průměr je tedy neměnitelný. Výhodou oproti plošným pletacím strojům je levnější výroba a jemnější očka. Nevýhodou je nemožnost ubírání nebo přidávání jehel, proto je možné pleteniny vyrábět pouze v limitovaném rozsahu velikostí.

4.2.4 ⁄pravy obvazov˝ch materi·l˘ Nepružné obvazoviny z přírodních materiálů (gáza) se většinou dále neupravují a po utkání jsou nastříhány na dílky nebo nabaleny na papírové dutinky. U pružných obvazovin ze syntetických materiálů se provádějí stabilizační úpravy (tepelná stabilizace – termofixace), a to z toho důvodu, že u nich dochází vlivem výrobních procesů a zpracování k vnitřnímu pnutí, které při působení vyšší teploty způsobuje u hotových výrobků změnu velikosti (sražení). Aby se tvar výrobku ustálil a zlepšily se užitné vlastnosti textilie, je nutné zařadit do úpravárenského procesu tepelnou stabilizaci. Termofixace se provádí na strojích pro tepelné zpracování textilií. Nejčastěji se používají běžně používané stroje pro sušení s doplňky nutnými pro fixační proces, jako je regulace teploty a dodatkové vyhřívání fixačních komor. Za termickými komorami musí být umístěno intenzivní chladící pole. Nejrozšířenější je fixace horkým vzduchem na napínacím, sušicím a fixačním rámu. Většina obvazovin je ke spotřebiteli dodávaná sterilní. Při sterilizaci dochází k usmrcení všech mikroorganismů přítomných v prostředí. Sterilizace probíhá v uzavřené komoře o určitém objemu, přičemž fyzikální parametry jsou stanoveny příslušnými normami. Sterilizace se provádí buď: a) fyzikálními prostředky – vysokou teplotou nebo ionizačním zářením, nebo b) chemickými prostředky – etylenoxidem, ozonem nebo peroxidem vodíku. Sterilizovaný materiál je uložen v primárním jednotkovém obalu, ve kterém byl sterilizován. Pro prodloužení exspirace a zlepšení jeho ochrany před sekundární kontaminací je možné použít ještě sekundární obal (pro uložení jednoho nebo více primárních jednotkových obalů). Expirační doba těchto výrobků je tři roky. Textilie pro zdravotnictví vyrábí dnes celá řada výrobců, kteří své výrobky neustále zdokonalují a investují značné prostředky do výzkumné činnosti. Jsou vyvíjeny stále sofistikovanější obvazové materiály, které jsou založeny na vývoji nových materiálů a struktur. 70

2 dil kap 4.p65

70

28.7.2008, 14:01

4.3 Obleky pro zdravotnick˝ person·l Operační sály jsou prostory, které lze specifikovat jako superčistá prostředí. Zde dochází většinou k invazivnímu řešení zdravotních problémů pacientů, a z tohoto důvodu je nutné zajistit co nejnižší množství živých mikroorganismů v okolním prostředí, které by mohly zkomplikovat pooperační péči. Sály procházejí pravidelnou dezinfekcí a jako největší kontaminátor tohoto prostředí se jeví člověk. Cílem je tedy ochránit prostředí před kontaminací mikročásticemi lidské kůže, vlasů a případných výměšků.

4.3.1 BariÈrovÈ textilie pro operaËnÌ s·ly Do nedávné doby byly zcela běžným oděvem používaným při operacích kalhoty, halena, operační plášť, rouška a pokrývka hlavy, vyrobené z bavlněné tkaniny. Tento oděv byl relativně komfortní pro personál, ale z hlediska pacienta byl shledán jako zcela nevyhovující, a to z následujících důvodů: • Bavlna je velmi prašná a drolivá a díky tzv. úletům docházelo často ke kontaminaci rány, a tím ke vzniku pooperačních komplikací. Průzkumy se zjistilo, že až dvě třetiny pooperačních komplikací jsou způsobeny tímto problémem. • Bavlněné textilie mají poměrně velkou pórovitost, a tím umožňují prostup šupinek kůže přes oděv. • Další vlastností, která je pro ochranu jak operatéra, tak i pacienta důležitá, je odolnost proti průniku kapalin. Bavlna díky svým sorpčním vlastnostem a pórovitosti je jako bariérová textilie nevhodná, a to z důvodu velmi dobrého pojímání tekutiny. Na základě těchto a dalších zjištění se specifikovaly následující požadavky na textilie do operačních prostor: • Nízká smáčivost • Odolnost vůči pronikání krve, kapalin a mikroorganismů • Antistatické vlastnosti a nehořlavost • Malé uvolňování částic • Dostatečný komfort Textilie používané pro operační pláště se všechny řadí mezi bariérové, mají za úkol ochránit prostředí před kontaminací člověkem. Zdravý člověk může během chůze či mírného pohybu uvolnit do svého okolí až 5000 šupinek kůže, nesoucích bakterie. Tyto šupinky mají velikost 5 až 60 µm a průměrný počet aerobních a anaerobních bakterií, které se na každé šupince nacházejí, je přibližně pět. Vzduchem přenášené šupinky kůže mohou kontaminovat ránu přímo, to znamená, že padnou do bezprostřední blízkosti rány nebo přímo do ní. 71

2 dil kap 4.p65

71

28.7.2008, 14:01

V případě nepřímé kontaminace se šupinky nejprve usadí na nástrojích nebo jiných předmětech, které pak přijdou do kontaktu s ránou. Textilie, které mají póry větší než 80 µm, nemohou zabránit vzniku případné infekce a kontaminaci prostředí. Oděvy pro čistá prostředí jsou vytvářeny jako systémy, to znamená, že jeden výrobek doplňuje druhý. Oděvní systém tedy běžně obsahuje operační oděv halenu, kalhoty, operační plášť, pokrývku hlavy, ústenku a návleky na obuv. Projevuje se zde synergický efekt při použití všech vhodných součástí oděvu do čistého prostředí.

4.3.2 Z·konnÈ poûadavky aplikace Textilie určené pro oděvy do čistých prostor jsou řazeny mezi zdravotnické prostředky. Požadavky na ně jsou dány nařízením vlády č. 336/2004 Sb. Dále tyto prostředky podléhají posouzení shody, což je proces, který má za úkol prověřit kvalitu a bezpečnost výrobku a na základě odzkoušení pak následně posoudit s normami a souvisejícími předpisy. Pokud výrobek vyhoví požadavkům, pak je označen značkou CE, která je garancí kvality produktu a umožňuje bez problémů výrobky pro daný účel použít. Zdravotnické prostředky jsou dle již zmíněného nařízení vlády rozděleny do několika kategorií, které jsou charakterizovány stupněm zdravotního rizika. Jedná se o třídy I., II.a, II.b, a III. Zařazení do tříd se provádí prostřednictvím klasifikačních pravidel, která jsou uvedena v příloze devět již zmíněného nařízení vlády. Podle těchto pravidel by měly být operační oděvy zařazeny do třídy I. – neinvazivní zdravotnické prostředky – a dle toho, zda se jedná o jednorázové nebo opakované použití do skupiny S – sterilní, nebo do skupiny N – nesterilní. Konkrétní požadavky na zdravotnické prostředky jsou uvedeny v normě ČSN EN 13795 – Operační roušky, pláště a operační oděvy do čistých prostor, používané jako zdravotnické prostředky pro pacienty, nemocniční personál a zařízení.

4.3.3 CharakteristickÈ testy kvality Testy kvality zdravotnických výrobků jsou specifikovány již zmiňovanou normou. Vlastnosti jsou hodnoceny různými metodami, které však principielně vycházejí ze stejného požadavku. Norma odkazuje na konkrétní zkušební metody, které je vhodné použít. Pro testování mikrobiální prostupnosti za mokra ještě není harmonizovaná norma, proto se používá postupu pro zjišťování mikrobiální prostupnosti za sucha dle normy ČSN EN ISO 22612, kdy se použije křída kontaminovaná Bacil72

2 dil kap 4.p65

72

28.7.2008, 14:01

lus Subtili. Pneumatickým vibrátorem se vzorkem protlačí kontaminovaná křída a ta je pak zachycena na živné médium a za stanovených podmínek se nechává vzorek inkubovat. Stanovuje se počet mikroorganismů prošlých médiem. Nepřítomnost partikulárního systému se hodnotí dle normy ČSN EN ISO 9073-10. Vzorek oděvního systému je mechanicky namáhán v komoře a proudem vzduchu jsou odsávány odletky. Laserový čítač snímá počet a velikost částic v rozmezí 3–25 µm, to je velikost, při které jsou částečky schopny nést mikroorganismy. Hodnotí se počet a velikost odletků pro každou stranu zvlášť. V případě testování odolnosti vůči pronikání kapalin se používá postupu dle normy ČSN EN 20811. Vzorek je vystaven působení tlaku vody, zkoušená plocha je 100 m2 a je stanoven nárůst tlaku. Stanoví se odolnost proti pronikání tlakové vody, která je vyjádřena výškou vodního sloupce. Zkouška je určena pro tkané textilie s vyšší dostavou nebo impregnační úpravou. Pevnost v protržení za sucha/za mokra se hodnotí dle normy ČSN EN ISO 13938-1. Tato metoda je vhodná pro pleteniny a netkané textilie, zkouší se pět vzorků a zkoušená plocha se volí s ohledem na tažnost, nejčastěji 50 cm2. Protržení zajišťuje pryžová membrána, výsledkem je tlak potřebný k protržení. Zkouška pevnosti v tahu za sucha/za mokra se běžně provádí podle normy ČSN EN ISO 29073-3, měří se pevnost v tahu příčná i podélná, vždy po pěti vzorcích. Stanovená velikost vzorku je 50 x 200 mm a výsledkem je pevnost potřebná k destrukci vzorku. Uvedené zkoušky nejsou zdaleka všechny, které je možno na zdravotnických prostředcích provádět. Mezi další patří například stálobarevnost v oděru, stálobarevnost na světle, stálobarevnost ve vodě a v potu, zjišťování prodyšnosti a mnoho dalších.

4.3.4 Charakteristick· struktura produkt˘ Vývoj bariérových textilií se historicky ubíral dvěma směry. Prvním z nich byl vývoj textilií na jednorázové použití, druhý vývoj textilií pro použití vícenásobné. Textilie pro jednorázové použití jsou vyráběny z netkaných textilií ve valné většině z polypropylenových a polyetylenových vláken v několika vrstvách s běžnou gramáží 15–100g/m2. Pro bariérové textilie se osvědčila technologie spunbond-meltblown-spunbond (SMS), kde se kombinují dvě technologie výroby netkaných textilií, a to spunbond a meltblown. Vrstvy jsou na sebe navrstveny, poté fixovány a následně vytvoří materiál, který má velmi dobré vlastnosti, jimiž jsou pevnost v tahu, pevnost v protržení, odolnost vůči průniku kapalin a mikrobů. 73

2 dil kap 4.p65

73

28.7.2008, 14:01

Bez použití membrány bývá tento materiál využit pro méně kritickou oblast výrobku, s fólií pak i pro kritickou oblast, která zajistí požadovanou odolnost proti pronikání tekutin z kritické strany výrobku a propustnost pro odvod vlhkosti od těla operatéra. Textilie bývá ještě navíc upravena vodoodpudivou úpravou a často též olejofóbní úpravou, které umocňují funkční efekt. Další prováděnou úpravou je antistatická úprava. Oděvy jsou vyráběny několika technologiemi. Klasickou metodou spojování – šitím –, i nekonvenční metodou – svařováním. S ohledem na zajištění cenové dostupnosti výrobků je jejich zpracování většinou velmi jednoduché. Operační oděv – halena a kalhoty – jsou konstruovány s co nejmenší pracností, halena většinou s průkrčníkem do tvaru V, kalhoty na zavazování v pase. Pláště jsou vyráběny co nejdelší, rukávy jsou ukončeny úpletovou manžetou, která je vyrobena z polypropylenu. Zapínání operačního pláště je často řešeno na stuhový uzávěr u krku na zadním díle a v pase na vázačku.

Obr. 4.14: SterilnÌ jednor·zovÈ obleËenÌ pro operaËnÌ s·ly [P¯evzato: http://www.medical-equipment.cz]

Operační textilie jsou dodávány výrobcem buď již ve sterilním stavu, nebo jsou připraveny ke sterilizaci. V každém případě musí být výrobek označen tak, aby bylo patrné, jak tomu je, a nedošlo k chybnému užití. Oděv vyrobený touto technologií je po jednom použití likvidován. Náklady na oděv jednoho člena operačního týmu jsou přibližně 200 Kč (v roce 2007). Odpadá jakákoliv údržba nutná po ukončení práce, náklady vznikají na likvidaci odpadu. Textilie pro opakované použití jsou oproti textiliím pro jednorázové použití vystaveny náročnějším požadavkům. Tyto povětšinou tkaniny musejí splňovat požadavky na trvanlivost. Musejí vydržet garantované množství údržbových procesů, které se skládají z pracího procesu, ze sušení a následné sterilizace, která je pro textilie velkou zátěží. Běžně je výrobci garantováno 75–100 cyklů použití. 74

2 dil kap 4.p65

74

28.7.2008, 14:01

Tkaniny a pleteniny pro operační oděvy jsou vyráběny z polyesterových mikrovláken. Pro zajištění většího komfortu mohou být vyráběny ze směsového materiálu bavlna + polyester v poměru 50/50, s plošnou hmotností v průměru kolem 150g/m2 pro pláště, pro roušky se používá vyšší plošná hmotnost. Tkaniny používané k tomuto účelu mají velmi hustou dostavu, aby zamezily pronikání šupinek kůže.

a)

b)

Obr. 4.15: (a) OperaËnÌ pl·öù z†hydrofobnÌho materi·lu, kter˝ se fixuje systÈmem Ëty¯ ˙vazk˘, ruk·vy zakonËeny elastick˝m ˙pletem, (b) operaËnÌ pl·öù s†nepropustn˝mi v˝ztuûemi. [P¯evzato: http://www.dina-hitex.cz]

Při vývoji těchto textilií se vyskytl problém se vznikajícím elektrostatickým nábojem, který byl řešen použitím uhlíkových vláken v osnově. Tato vlákna náboj eliminují, a tím textilie nepřitahuje tolik prachových částic. Další důležitou vlastností těchto materiálů je minimální úlet částic. Materiály jsou při výrobě upravovány jak mechanicky – kalandrováním –, tak i chemickými úpravami – vodoodpudivou, případně olejofobní úpravou. Údržba operačních oděvů a plášťů je doporučována při 70 °C s použitím speciálních detergentů a výrobky musejí být prány odděleně od ostatního prádla, aby se zamezilo ulpění krátkých vláken na textilii. Sušení probíhá v bubnových sušičkách. Po usušení se všechny textilie kontrolují prosvěcováním, případně se opravují technologií termozáplat. Následně se oděvy a roušky skládají stanoveným způsobem a připravují se na sterilizaci. Oděvy pro opakované použití jsou finančně nákladnější než jednorázové pláště. Náklady na oděv jednoho člena operačního týmu jsou okolo 1200 Kč. Náklady se však rozpočítávají mezi počet použití, který běžně bývá kolem sta. Prakticky bylo odzkoušeno, že pořízení těchto oděvů se nejvíce vyplatí v případě, že nemocnice disponuje vlastní prádelnou. 75

2 dil kap 4.p65

75

28.7.2008, 14:01

4.4 OrtÈzy Slovo ortéza pochází z řeckého orthos, které znamená rovný, správný. Původ slova lze tedy vysvětlit dvěma způsoby, a to, že ortéza slouží uvedení části těla do přímého směru nebo k nápravě stávajícího stavu. Existuje více druhů ortéz, zde budou popsány ortézy ortopedické, které slouží k nápravě nosného a pohybového aparátu. Na rozdíl od protézy není její funkcí náhrada funkce, ale její podpora. Ortéza patří mezi zdravotní pomůcky, které poskytují oporu končetinám a trupu. Plnění úlohy ortézy je zajištěno úplným znehybněním části těla nebo jen jejím částečným znehybněním, které umožní zachování pohybu. Z hlediska konstrukce se jedná o výrobek složený téměř vždy z více druhů materiálů. Ortéza může být nevyztužená a její funkce je pak zajištěna pružností, případně tuhostí použitého materiálu. Je-li použita výztuž, je ve formě kompozitní skořepiny, plastového výlisku nebo kovové planžety. Použití ortéz je velmi široké a nevztahuje se jen na léčbu, ale také na předcházení možného poškození či přetížení svalů a kloubů, a proto nacházejí využití při těžší fyzické námaze či při sportovních aktivitách.

4.4.1 RozdÏlenÌ ortÈz podle r˘zn˝ch hledisek Z hlediska konstrukčního jsou ortézy buď kompozitním materiálem, což platí pro složitější typy ortéz, nebo jsou vyrobeny z jednoho druhu materiálu. Ortézy můžeme dělit dle různých hledisek, vybraná rozdělení jsou uvedena v následujících odstavcích. Rozdělení dle funkce ortézy • Fixační – tento druh ortéz zajišťuje znehybnění požadované části těla. • Korekční – kombinací působícího tlaku a tahu zajišťuje potřebnou nápravu. • Podpůrné – podporují ztracenou nosnou funkci končetiny nebo trupu. • Substituční – nahrazují ztrátu končetiny nebo ztrátu funkce oslabeného svalstva Rozdělení ortéz dle účelu • Profylaktická – cílem tohoto typu ortéz je předcházet vzniku poškození pohybového aparátu. Používá se všude tam, kde můžeme předpokládat při činnosti nějaký úraz. Často jej používají sportovci, ale i pracovníci, kteří vykonávají namáhavý, často jednotvárný pohyb, který zatěžuje jen určitou část těla. 76

2 dil kap 4.p65

76

28.7.2008, 14:01

• Terapeutická – tento druh ortéz slouží k léčbě poškozené nebo omezeně pracující části těla. Terapeutické ortézy se dále dělí podle období, ve kterém jsou pacientem využívány, a to na: – předoperační, – pooperační, – rehabilitační. • Kompenzační – snižuje ztráty způsobené chronickými změnami. Některé ortézy mohou samozřejmě plnit více funkcí a účelů současně. Rozdělení ortéz dle druhu působení • Staticky působící – úkolem staticky působící ortézy je znehybnění nebo správné postavení části těla. • Dynamicky působící – konstrukce umožňuje pohyb v požadovaném směru a rozsahu, zajišťují nápravu vadného postavení. Rozdělení dle způsobu výroby Vzhledem k tomu, že každý jedinec je odlišný a některé léčebné postupy vyžadují individuální přístup, proto způsob výroby ortéz lze rozdělit na: • individuální – ortéza se vyrábí na základě anatomie budoucího uživatele. Nejčastěji se vytvoří sádrový odlitek, který pak slouží jako tvarová předloha pro výrobu ortézy; • sériová – u méně složitých typů ortéz, především ve formě bandáží a návleků se vyrábějí univerzální, přičemž velikostní škála je podobná té, která se používá u oděvů, tedy S (small), M (medium), L (large), XL, XXL, XXXL, a uživatel si vybere potřebnou velikost. Rozdělení ortéz dle oblastí těla, pro které jsou určeny Jedním z možných způsobů dělení ortéz je podle místa, pro které je ortéza určena. Ortézy pro dolní končetiny Slouží k zabezpečení stability, nosnosti, pohybu a podporu oslabené svalové práce. Mezinárodní klasifikace ortéz dolní končetiny používá k popisu označení kloubů zkratku, složenou z počátečních písmen anglických označení stabilizovaných kloubů. Písmeno O znamená orthotic – ortéza. Před ním vždy stojí písmeno označující stabilizovaný kloub. 77

2 dil kap 4.p65

77

28.7.2008, 14:01

• FO – nožní ortéza (Foot Orthotic) • AFO – ortéza stabilizující kotník a chodidlo (Ankle Foot Orthotic) • KAFO – ortéza stabilizující kolenní kloub, kotník a chodidlo (Knee Ankle Foot Orthotic) • HKAFO – ortéza stabilizující kyčelní a kolenní kloub, kotník a chodidlo (Hip Knee Ankle Foot Orthosis). Některá provedení ortéz dolních končetin jsou uvedena na obrázcích 4.16 až 4.19.

Obr. 4.16: Pevn· ortÈza kolennÌho kloubu

Obr. 4.17: Profylaktick· ortÈza hlezna

Obr. 4.18: OrtÈza kolennÌho kloubu s limit. rozsahem pohybu

Obr. 4.19: OrtÈza kolennÌho kloubu n·vlekov· s v˝ztuhou

Ortézy pro horní končetiny Ortézy pro podporu horních končetin jsou určeny pro zpevnění, podporu, případně nápravu pohyblivého aparátu, nejčastěji však ovlivňují či zlepšují porušené funkce. Mohou být dočasné nebo trvalé. Ortézy pro horní končetinu se vyrábějí pro fixaci následujících částí: 78

2 dil kap 4.p65

78

28.7.2008, 14:01

• • • •

Ramenní kloub Loketní kloub Zápěstí Prsty

Ortézy pro horní končetinu jsou ukázány na obrázcích 4.20 až 4.23.

Obr. 4.20: Prstov· ortÈza

Obr. 4.22: LÈËebn· ortÈza ramennÌho kloubu

Obr. 4.21: LÈËebn· ortÈza z·pÏstÌ

Obr. 4.23: LoketnÌ ortÈza se staviteln˝m rozsahem pohybu kloubu

Trupové ortézy Trupová ortéza stabilizuje trup do požadované polohy, čímž působí na páteř. Trupové ortézy lze dále rozdělit takto: • Krční ortézy – vyrábějí se ve formě tzv. nákrčníku, který se obepíná okolo krku. Cílem je omezovat nebo směrovat pohyby hlavy a odlehčovat páteř. Dále je lze dělit podle úseku páteře, který stabilizují, a to na ortézy krční 79

2 dil kap 4.p65

79

28.7.2008, 14:01

(fixující oblast krku a hlavu) a cervikotorakální (fixuje hlavu a horní část hrudníku) Další rozdělení lze provést podle stupně fixace, a to na: – stabilizaci minimální, kterou zprostředkovávají měkké límce; – stabilizaci střední, poskytovanou semirigidními (polotuhými) ortézami; – stabilizaci maximální, kterou poskytuje rigidní ortéza.

Obr. 4.24: N·krËnÌky • Hrudní ortézy: – ortézy k léčbě skoliózy, kyfózy a dalších poruch páteře – poúrazové či pooperační – deklinační – zajišťují odklon

Obr. 4.25: BedernÌ ortÈza

Obr. 4.26: Korzet pro lÈËbu skoliÛz

• Ortéza stabilizační: Stabilizační ortézy jsou určeny pro sed zejména pro pacienty používající invalidní vozík a zejména pro ty, jež jsou postiženi svalovou disfunkcí. Jejím prostřednictvím je páteř udržována v požadované poloze, taktéž je zajištěna optimální poloha kyčelních kloubů a dolních končetin při sedu. Trupové ortézy jsou na obrázcích 4.24 až 4.27. 80

2 dil kap 4.p65

80

28.7.2008, 14:01

Obr. 4.27: StabilizaËnÌ ortÈza p¯ipraven· k†mont·ûi na vhodn˝ podvozek

4.4.2 RozdÏlenÌ ortÈz z†hlediska pouûit˝ch materi·l˘ S převahou textilních materiálů • Celotextilní Jsou nejčastěji ve formě pružného návleku, který obepíná trup nebo končetinu. Pružnost návleku zajišťuje požadovaný tlak. Vyztužení materiálu je docíleno vrstvením, prošitím apod. • Textilní s výztuží z jiných materiálů Vyráběny mohou být jako ve formě návleku nebo jako dělené. Potom má textilie především funkci výplně, resp. výstelky, která brání vzniku otlaku nebo odřeniny. V případě dělené ortézy se na tělo upíná různými popruhy a pásky s přezkou nebo sponou nebo se používají suché zipy (tzv. velcro pásky). Výhodou suchých zipů je snadné přizpůsobení délky podle rozměru končetin či trupu, jejich nevýhodou je omezená životnost, nižší schopnost přenášet větší tahové síly a snížení pevnosti spojení při zvýšené vlhkosti. Díl pásky umístěný na ortéze je zpravidla podstatně širší než druhý díl, což umožňuje pásku připevnit pod různými úhly, bez nutnosti ji pokládat na jediné konkrétní místo. Jako výztuha se používá více či méně pružný materiál. Ta může být kovová, v tom případě je ocelová, nebo pro snížení hmotnosti může být použito slitin na bázi hliníku, například duralu. V některých případech, kde není nutné příliš velké vyztužení, lze použít i výztuhy vyrobené z plastu. U plastu je nevýhodou jeho nižší životnost a poddajnost. Složitější typy ortéz bývají opatřeny klouby, u nichž lze nastavit rozsah pohybu kloubu. 81

2 dil kap 4.p65

81

28.7.2008, 14:01

S převahou jiných materiálů Tyto ortézy jsou zpravidla vysoce účinné díky silné výztuži a mají silný podpůrný a nápravný účinek. Vyrábějí se ve formě korzetů a podpůrných konstrukcí podle funkce a místa určení. Nosná konstrukce ortézy je tvořena buď kompozitním materiálem, nebo termoplastem Kompozitní materiály jsou tvořeny vlákennou výztuží ve formě rouna nebo tkaniny. Vlákenný materiál je nejčastěji sklo nebo polyester. Matrice je pak tvořena vhodnou pryskyřicí, například na bázi polyesteru nebo metylakrylátu. Pokud je třeba zajistit velmi nízkou hmotnost ortézy a zároveň výjimečné mechanické vlastnosti, lze použít výztuž z uhlíkových vláken. Tato výztuž je však velmi drahá, a proto významně zvýší cenu ortézy, proto jejich použití přichází v úvahu například u vrcholových sportovců. V případě použití termoplastů se jejich výztužný účinek podporuje kovovými výztužemi, a to buď ocelovými, duralovými, anebo titanovými. Cena titanu je však významně vyšší než u předchozích výztuží. I tyto ortézy mohou být opatřeny klouby s nastavitelným rozsahem pohybu. Vzhledem k tomu, že povrchová tvrdost výztužných a podpůrných částí je vysoká, je nutné zajistit změkčení těchto částí vhodnými výstelkami, jinak by jejich nošení bylo nekomfortní a mohlo by způsobit i poranění. Výstelky jsou tvořeny nejčastěji vrstveným materiálem, který spojuje vhodné fyziologické vlastnosti textilií s vrstvami z jiných materiálů, které zajišťují měkkost. Oblíbeným materiálem je například polyuretanová pěna. Upevnění ortéz na tělo je zajištěno širokou škálou upínacích popruhů a řemínků opatřených různými druhy uzávěrů nebo suchých zipů. K nejčastěji používaným materiálům patří kůže nebo tkané pásky ze syntetických materiálů, kupříkladu z polyesteru nebo polyamidu. Na obrázcích 4.28 a 4.29 jsou ortézy s převahou netextilních materiálů.

Obr. 4.28: Dynamick· ortÈza loketnÌho kloubu z†plastu a k˘ûe

Obr. 4.29: Trupov· ortÈza z termoplastu

82

2 dil kap 4.p65

82

28.7.2008, 14:01

4.4.3 TextilnÌ materi·ly pouûÌvanÈ pro ortÈzy Pro výrobu ortéz jsou důležité mechanické vlastnosti, které zajišťují funkci ortézy. Dalším požadavkem je, aby ortéza zajišťovala uživateli určitý komfort. Požadavek fyziologických vlastností plní dobře většina textilních materiálů. Je to dáno výjimečnou morfologií tvořenou vlákennými útvary. Textilie jsou obvykle značně porézní, což umožňuje proudění vzduchu a par i pohlcování tekutin. Tyto vlastnosti zajišťují pocit sucha. Proto je u ortéz vrstvou, která je ve styku s pokožkou nejčastěji, ta, jež je vyrobena z textilních materiálů. Textilie s obsahem funkčních vláken Mezi funkční vlákna řadíme taková, která jsou v textilii schopna plnit další funkci, popřípadě nějakou funkci zlepšují. Mezi taková vlákna můžeme řadit například vlákna s nekruhovým, výrazně profilovaným průřezem. Toto tvarování umožňuje odvádět od těla vlhkost kanálky na obvodu vlákna, což zvyšuje uživatelský komfort. Vzhledem k tomu, že tato vlákna jsou syntetická, nejčastěji polyesterová, nedochází k sorpci tekutiny do vlákna. To zlepšuje následné sušení. Tato vlákna lze nalézt pod obchodním názvem CoolMax. Tento druh vláken nachází uplatnění především v oblasti ortéz pro sportovní aktivity. Z těchto vláken se nejčastěji vytvářejí pletené textilie. Dalším zástupcem jsou pružná vlákna. Vyrábějí se z termoplastického pružného polyuretanu. Pokud jsou použita ve směsi s jinými, nepružnými vlákny, zvyšují pružnost a tažnost, což po zpracování do textilie zvyšuje komfort i možnost jejího tvarování. Mezi tato vlákna patří například vlákna s obchodním názvem Lycra, Elastan, Invista. Tkaniny a pleteniny Pro zevní vrstvy se často užívají textilie, které jsou ve formě pleteniny nebo tkaniny. Vyrábějí se v různých vazbách dle požadavku na mechanické vlastnosti i vzhled. Zpracovávají se nejčastěji vlákna polyesterová, polyamidová, ve směsi se používá i bavlna díky vysoké sorpci vody. Pro zvýšení pružnosti lze použít směsi s přídavkem pružných vláken, např. elastan, lycra apod. Jsou-li vrstvy plošně spojovány, používá se proces laminování, který spočívá v nanesení lepidla například postřikem nebo natavením povrchu pěny plamenem. Následně se připojí vrstva textilie kalandrováním. Smyčkové textilie Z hlediska komfortu nošení je vhodným, a vzhledem k dostupnosti i nízké ceně také oblíbeným a hojně používaným materiálem smyčková textilie nebo také 83

2 dil kap 4.p65

83

28.7.2008, 14:01

froté. Ta je vyrobena ve formě tkaniny nebo pleteniny. Volbou druhu textilie lze ovlivnit účinek ortézy. Pleteniny jsou obecně daleko elastičtější, tažnější, takže pro dosažení potřebné síly je nutná větší deformace. Proto návlek z pleteniny má v nenavlečeném stavu podstatně menší průměr než místo, na které se navléká. Tkaniny jsou naopak velmi málo tažné, zpravidla v jednotkách procent, proto jsou schopny vyvinout větší tlakovou sílu. Froté tkaniny jsou vyráběny na smyčkových tkacích stavech, které mají dvě osnovy, přičemž jedna, která je napjatá, tvoří vazbu a druhá, která je umístěna volně, bez napětí, tvoří smyčky, a to na jedné nebo obou stranách tkaniny. Smyčková pletenina je tvořena tak, že k základní pletařské vazbě se přidává pomocná nit, která je volnější a nad povrchem pleteniny tvoří smyčky (viz obr. 4.30). Smyčkový povrch je na té straně ortézy, která přiléhá na pokožku.

Obr. 4.30: Uk·zka pleteniny se smyËkov˝m povrchem. Vlevo je vazba pleteniny, barevnÏ jsou oznaËeny p¯idanÈ p¯Ìze tvo¯ÌcÌ smyËky. Vpravo je povrch tÈto textilie. Distanční pleteniny Osnovní oboulícní pleteniny nebo také distanční pleteniny jsou zajímavé tím, že tvoří dva pletené povrchy, jež jsou spojeny spojovacími monofilnímy vlákny. Tak vzniká textilie, která je tzv. objemná – má vyšší tloušťku. Volbou vazby povrchu a druhu použitého typu materiálu lze získat různé vlastnosti, jakými je tažnost v jednom nebo obou směrech, vzhled a omak povrchu nebo také prodyšnost. Tyto materiály jsou obecně velmi prodyšné, což je z hlediska komfortu žádoucí. Jejich kompresní vlastnosti jsou velmi podobné polyuretanovým pěnám, a tak je mohou v některých případech úspěšně nahradit. Významný je především vznik velmi malých trvalých deformací. Tloušťku pletenin lze volit od několika milimetrů až po 15 až 20 mm dle použitých monofilních vláken. Nejčastěji je pro výrobu použit 100% polyester, popř. v kombinaci s pružnými vlákny lycra. U nás se s ním lze setkat pod obchodním názvem například Te84

2 dil kap 4.p65

84

28.7.2008, 14:01

box, výrobce Tebo, nebo jako 3D textilie, výrobce Tylex. Povrch této textilie je ukázán na obr. 4.31.

Obr. 4.31: Povrch distanËnÌ pleteniny

4.4.4 PÏnovÈ materi·ly Vnitřní výplňková vrstva je často tvořena pěnami různých typů. Nejběžnější je pěna polyuretanová. Ta vzniká reakcí vícefunkčních alkoholů s vícefunkčními isokyanáty za přítomnosti vody. Při reakci se uvolňuje oxid uhličitý, který vznikající polyuretan napěňuje. Díky velkému množství vzduchu jsou pěnové materiály velmi dobrými tepelnými izolanty. Větší množství isokyanátu vede k tvrdé pěně, naopak menší vede k pěně pružné, měkké. Tvrdá polyuretanová pěna se následně opatří povlakem z pleteniny, např. z bavlny nebo polyesteru, a je vhodná především pro jednodušší ortézy, jako jsou krční límce. Ty lze vyrobit i z měkké pěny, ale častěji se používají jako jádro ortéz pro končetiny. Použití polyuretanu zajišťuje měkkost a umožňuje odvádět vlhkost a vodní páry do své struktury, která je tvořena různě velkými, vzájemně propojenými buňkami (viz obr. 4.32 a 4.33). Další z materiálů, který se pro výrobu ortéz využívá, je neopren. Jedná se o syntetickou, chlorbutadienovou pryž, z níž se během procesu vulkanizace uvolňuje plyn, který v kaučuku vytváří bubliny. Struktura je podobná jako u polyuretanové pěny. Poté, co se z neoprenu připraví řezáním pláty potřebné tloušťky, je jejich povrch potažen adhezivem, na které se kalandrováním zafixuje tkanina nebo pletenina, nejčastěji z polyamidu nebo polyesteru. Výborné tepelně izolační vlastnosti polyuretanové pěny a neoprenu se mohou stát značnou nevýhodou v případě vysokých teplot vzduchu, například v letních měsících, kdy nejsou schopny účinně odvádět teplo a následné nadměrné pocení pak může zapříčinit zapaření a značné nepohodlí. Materiál, který tento problém omezuje, je obdobou neoprenu a je vyráběný pod názvem epX. Je složen ze tří vrstev, přičemž povrchové vrstvy jsou tvořeny membránou. Membrána umožňuje průchod vzduchu a vodních par, ale ne ka85

2 dil kap 4.p65

85

28.7.2008, 14:01

Obr. 4.32 a 4.33 ukazuje mikro- a makroskopick˝ vzhled bunÏk. Je patrn· otev¯en· struktura, kter· zajiöùuje pot¯ebnou prodyönost. palné vody. Je to dáno tím, že molekula vody je větší, než je otvor póru membrány, zatímco menší molekula páry projde bez problému. Membrána je vyrobena ze směsi polyamidových vláken a pružných vláken Lycra Spandex v poměru 80/20, mezi nimiž je nanesena tenká vrstva termoplastického polyuretanu. Pružné membrány jsou obousměrně elastické, což při aplikaci ortézy zajišťuje potřebnou tlakovou sílu při různém stupni protažení. V porovnání s neoprenem jsou lehčí, tenčí, dobře udržují teplo, ale méně než neopren, což zajišťuje dostatečný hygienicko-fyziologický komfort. Tento materiál se užívá především pro výrobu návlekových ortéz – bandaží a lehkých ortéz.

4.4.5 V˝roba ortÈz s†p¯evahou textilnÌch materi·l˘ Oddělovací proces Sériová výroba ortéz z textilních materiálů vyžaduje použití takových zařízení, která jsou schopná rychle a bez námahy oddělit potřebný úsek textilie. Nejčastěji se používají ruční elektrické řezací strojky, nebo se použijí vysekávací lisy. Tvar vysekávaného dílu je dán tvarem nože na raznici – vysekávací šablony. Ruční stříhání nůžkami se využívá jen omezeně pro oddělení tenkých a úzkých materiálů, jako jsou popruhy, pásky apod., a pro případné začištění. Spojovací proces Spojovací proces je u ortéz s převahou textilních materiálů realizován pomocí strojového šití. Protože ortéza je při nošení namáhána po celou dobu použití tahovým namáháním, musí být i šitý spoj schopen toto namáhání s dostatečnou 86

2 dil kap 4.p65

86

28.7.2008, 14:01

rezervou přenášet. Proto se používají minimálně dvojité spoje (třída 301–304), a tam, kde je to třeba, až šestinité. V případě, že je vyztužení realizováno netextilními materiály, lze výztuhu do ortézy zašít, pak je její trvalou součástí, nebo vytvořit dutinu, do které se výztuha zasune, případně se výztuha na ortézu připevní pomocí popruhů. Ke spojení se používají technické šicí nitě s nižší jemností, tzn. větším průměrem. Nejčastěji se používají polyesterové nebo polyamidové nitě. Vzhledem k tuhosti a tloušťce sešívaných materiálů se používají průmyslové šicí stroje. Tomu odpovídá i použití silnějších jehel, které jsou schopny pronikat tuhými materiály.

4.4.6 Z·kladnÌ poûadavky na ortÈzy a zkouöenÌ jejich vlastnostÌ Ortéza musí být co nejlehčí, vyhovovat požadavkům na fyziologicko-hygienický komfort a musí být snadno udržovatelná (nejlépe praním). Použité materiály nesmí pokožku dráždit, např. drsným nebo příliš adhezivním povrchem a nesmí nijak reagovat s pokožkou. Používané materiály podléhají zkouškám, které stanoví jejich jakost i vhodnost pro daný účel. Kromě zkoušení fyzikálních a mechanických vlastností, kam patří např. pevnost, se stanovuje také hořlavost materiálů a toxicita zplodin vznikajících při hoření. Důležitou zkouškou parametrem je klinické hodnocení ortézy, tedy do jaké míry splňuje svůj hlavní účel, pro který je konstruována. Dále se stanovuje biologická snášenlivost a obsah znečišťujících látek, případně jejich zbytků. Výrobek musí být navržen tak, aby se vyloučilo riziko infekce, a to nejen uživatele, ale i dalších osob. Pokud to u použitých materiálů přichází v úvahu, zjišťuje se také odolnost vůči korozi. To se týká především výztuh, které jsou vyráběny z kovů. Hlavními požadavky kladenými na ortézy se zabývá norma ČSN EN ISO 10328, 84 4003 Vnější končetinové protézy a vnější ortézy – Požadavky a metody zkoušení. Pro ortézy jsou velmi důležité také fyziologické vlastnosti. Ty totiž úzce souvisí s komfortem nošení a v případě trvalého nebo dlouhodobého nošení určují samotnou použitelnost. Důležitou vlastností, která úzce souvisí s komfortem, je propustnost a tepelná vodivost. Propustnost se týká průchodu vzduchu a vodních par, tepelná vodivost pak schopnosti materiálu transportovat teplo vedením, sáláním a prouděním. Existuje více metod, které lze použít, jedna z nich je popsána v normě ČSN EN 31 092, 80 0819 Zjišťování fyziologických vlastností – měření tepelné odolnosti a odolnosti vůči vodním parám za stálých podmínek (zkouška pocení vyhřívanou destičkou). Tato metoda v podstatě simuluje potící se kůži, která je překryta vrstvou zkoušeného materiálu. 87

2 dil kap 4.p65

87

28.7.2008, 14:01

4.5 V˝robky osobnÌ hygieny s†akviziËnÌ distribuËnÌ vrstvou Dnes můžeme akviziční distribuční vrstvu nalézt především v dětských jednorázových plenkách a ve výrobcích pro inkontinentní pacienty. Tyto výrobky patří mezi základní hygienické pomůcky, na které jsou kladeny stejné požadavky. Mezi tyto požadavky patří vysoká absorpce moči během močení, zadržení moči uvnitř absorpčního jádra, oddělení vlhkosti od pokožky, zabránění šíření výkalů, oddělení moči a výkalů od okolí nositele.

4.5.1 Historie v˝voje dÏtsk˝ch plen Jako první pleny se již v pravěku používaly různé listy a zvířecí kůže. Ve starověku staří Egypťané, Aztékové a Římané používali pro kojence ovinovací úzké pruhy ze lnu nebo vlny, do kterých bylo dítě zabaleno. Před rokem 1800 nosili kojenci v Evropě a Severní Americe čtverec ze lnu nebo bavlny přeložený na polovinu do tvaru obdélníka a upevněný pomocí zavíracích špendlíků. V roce 1942 byla ve Švédsku vyrobena první jednorázová absorpční vložka z nebělené celulózy, která se používala jako dětská plena a vkládala se do gumových kalhotek. V roce 1947 George M. Schroder spolu s Henry Fredem & Co vytvořili první jednorázovou plenku s využitím netkané textilie. První jednorázové pleny byly jednoduchého obdélníkového tvaru, absorpční jádro bylo tvořeno z 15 až 25 vrstev jemného hedvábného papíru, vnější strana byla vytvořena z igelitového filmu. Celková kapacita těchto plen byla odhadnuta na 100 ml, což znamená jedno použití. V průběhu 60. let byl hedvábný papír nahrazen dřevní buničinou, použitím celulózových vláken se zlepšila výkonnost pleny. Pleny byly vyráběny velmi tlusté, a to proto, aby nedošlo k jejich průsaku. Některé pleny střední velikosti vážily 65 gramů a více. Běžná komerční linka na výrobu plen vyráběla rychlostí 150 kusů za minutu. Nejlepší plena měla podíl průsaku 8–10 %. V roce 1970 společnost Johnson & Johnson představila uzavírací systém v podobě bočních papírových pásků. V oblasti výroby došlo k zahájení výroby textilie pomocí hot melt technologie, výsledkem bylo zvýšení rychlosti linek na 250 kusů za minutu. Dětským lékařům se zdály pleny příliš objemné v rozkroku s ohledem na správný vývoj kyčlí, což vedlo ke změně tvaru ze stávajícího obdélníku na tvar přesýpacích hodin. 88

2 dil kap 4.p65

88

28.7.2008, 14:01

Použití elastomerů v roce 1983 velmi zlepšilo utěsnění pleny, do této doby se elastomery používaly pouze kolem nožiček, nyní byly přidány i do pasu. Netkaná vrchní vrstva byla změněna z původního umělého hedvábí na termicky pojený polypropylen, který byl jemnější a komfortnější. Přední (okrasná) páska byla poprvé vyvinuta v Evropě, ta dovolovala matkám opětovné otevření pleny bez poškození spodního polymerního filmu. Superabsorbent (dále jen SAP) byl poprvé přidán do plen v roce 1984. Vznikla nová generace plen s vyšším výkonem, pleny byly tenčí, zdokonalilo se také zadržení tekutiny a snížil se výskyt vyrážky. Průměrná hmotnost typické střední pleny se snížila na 50 % původní hmotnosti. Během 90. let se začala používat SSS (spunbond-spunbond-spunbond) vrchní vrstva, textilní spodní vrstva nahradila ve většině případů klasický polymerní film. Velcro představilo nové mechanické uzavírání plen pomocí oček a háčků. V roce 1991 byly poprvé použity bariéry proti protečení kolem nožiček dítěte z netkané textilie vyrobené technologií SMS. Dále se objevilo mnoho prvků odlišujících od sebe jednotlivé výrobce, například aloe vera, ochrana proti bakteriím, pleťové kondicionéry, indikátory vlhkosti, barevné frontální fólie a podobně. V této době se pohybovala rychlost výrobních linek mezi 300–900 kusy plen za minutu. Podle všeho je zřejmým trendem vyrábět ekologičtější, tenčí a pro dítě komfortnější pleny.

4.5.2 Konstrukce plen Kojenecká plena je výrobkem pro jednorázové použití, přesto není výrobkem jednoduchým. Dnes se stala skutečně propracovaným, technologicky vyspělým produktem a lze ji chápat jako jeden z nejvíce patentovaných výrobků po elektronickém průmyslu (Klaška, 2000). Pro vrchní vrstvy se nejčastěji používají netkané textilie z polypropylenových vláken. Vlákenné vrstvy jsou vyrobené na mykacích strojích a termicky zpevněné působením válců kalandru nebo se vyrábějí technologií spunbond, v hmotnostních kategoriích 17–25 g.m-2. Polypropylen je zásadně hydrofobní, aby se stal prostupným pro moč, bylo nutné jej upravit povrchově aktivními prostředky. Ty byly prostupující močí vyplavovány, tím se stávala vrchní vrstva hydrofobní, takže zamezovala zpětnému transportu kapaliny. Poslední vývoj v konstrukci dětské pleny však vede k novému uspořádání vrchní vrstvy. Ta je redukována do formy středního pruhu a dvou bočních pásů. V důsledku zmenšení tloušťky nového jádra s vysokou absorpční kapacitou je kladen větší důraz na měkkost a tloušťku vrchní vrstvy. Proto střední pruh musí být velmi měkký, nejčastěji z textilie typu SSS (spunbond-spunbond-spunbond) 89

2 dil kap 4.p65

89

28.7.2008, 14:01

se stálou hydrofilní úpravou pro snadné pohlcování moči při dlouhodobém použití. Dva postranní pruhy jsou konstruovány z textilie typu SMS (spunbond-meltblown-spunbond). Textilie SMS je lehký kompozitní výrobek, v němž jemná vrstva z netkané textilie vyrobené foukáním taveniny polypropylenu do formy mikrovláken umožnila dramaticky zvýšit hydrofobnost, zatímco dvě sendvičovitým způsobem uspořádané vrstvy textilie spunbond zajišťovaly mechanické vlastnosti. Hodnoty průsaku kapaliny vrchní vrstvou se s každým cyklem močení mění, pokud nebylo použito povrchově aktivních látek, přidávaných již při zvlákňování. Proto může být vrchní vrstva zdokonalena pro průsak použitím perforovaných netkaných textilií. Otvory je možno vytvořit mechanickými prostředky (perforování kalandrováním). Jinou alternativou může být použití způsobu zajehlení vláken paprskem vody, které v kombinaci s použitím bikomponentních vláken a spojením horkým vzduchem může dát vznik nové kategorii velmi měkkých textilií. Zvyšující se podíl superabsorpčního polymeru (SAP), který může dosáhnout až 25 g na jednotku, umožňuje prodloužit funkčnost plen. Avšak zvýšený podíl SAP prášku podstatně brání rozložení moči po celé ploše absorpčního jádra. Proto výrobek požaduje speciální akviziční distribuční vrstvu (AD), která je schopna rychle absorbovat vylučovanou tekutinu, rozdělit ji přes celou plochu a umožnit její odvedení vertikálně do konečného absorpčního jádra. Jejím úkolem je co nejrychleji odvést moč od pokožky. V neposlední řadě zvýšit měkkost pleny. AD vrstvy se nejčastěji vyrábějí z polypropylenu, polyesteru a jejich směsí. Polyesterová vlákna se používají přednostně vzhledem k jejich schopnosti elastického zotavení, neboť důležitou vlastností je schopnost zachovat si svou strukturní stabilitu a odolnost vůči stlačení v suchém i mokrém stavu. Jestliže se porézní struktura textilie zhroutí, absorpční objem je velmi redukován a textilie nemůže dále fungovat jako rozvodová vrstva. Pojení těchto vrstev je možno provádět buď horkým vzduchem, je-li textilie vyrobena ze dvou vlákenných komponent, nebo nastříkáním disperzních pojiv. Preferovány jsou netkané textilie ze syntetických střižových vláken. Mohou být vyrobeny mykáním, z roun vyrobených pneumatickým způsobem nebo kombinací obou technologií. Používají se i textilie z roun vyrobených pod tryskou z bikomponentních vláken. Vrstva musí být permanentně hydrofilní, musí se vyznačovat vysokou objemností a strukturou, která je výhodná z hlediska uplatnění účinků vzlínavosti. Vyrábí se nejlépe s otevřenou strukturou z hrubých vláken přibližně 3–10 dtex, 90

2 dil kap 4.p65

90

28.7.2008, 14:01

hmotnost se pohybuje v rozmezí 25–60 g.m-2. Jelikož se akviziční vrstva používá především pro jednorázové výrobky, měla by mít nízké náklady na výrobu. Dále by měla zajišťovat vysokou měkkost a spolehlivou pevnost při manipulaci. V současných moderních plenách se akviziční distribuční vrstva skládá ze dvou vrstev. Akviziční vrstva má otevřenou strukturu, nízkou objemovou hmotnost. Jejím úkolem je co nejrychleji odvést moč od pokožky. Zatímco transportní neboli distribuční vrstva je nejčastěji nesoudržná vrstva ze směsi polyesterových a celulózových vláken o délce cca 5 mm, je to takzvané malé jádro. Slouží k rovnoměrnému rozvedení moči nad konečným absorpčním jádrem, rozprostírá se pouze ve dvou třetinách velkého jádra odpředu pleny. Hlavním úkolem je zamezit zpětnému transportu tekutiny z absorpčního jádra a rozprostřít moč i při druhém a třetím cyklu močení do míst, která nejsou nasycená. Pod distribuční vrstvou se nachází absorpční jádro, které se skládá z celulózy a superabsorbentu. Superabsorbent má výbornou absorpční kapacitu a velmi dobře zadržuje kapalinu. Sorpce je vyvolána rozdílem osmotického tlaku uvnitř a vně SAP částice. Množství superabsorbentu je určeno jakostní a hmotnostní třídou výrobku, pohybuje se od cca 0–20 g SAP v jedné pleně. Počítá se s tím, že 1 g SAP pojme 32 g moči. A právě se zvyšujícím se podílem SAP prášku se stává obtížnější zafixovat jemné částice SAP do struktury celulózy (dřevní buničiny), a zabránit tak jejich migraci. V takovém případě se stává důležitou složkou pleny obal absorpčního jádra. Je to tenký hedvábný papír, jehož úkolem je zabránit migraci SAP z absorpčního jádra a udržet jádro ve stálém tvaru při dlouhodobém používání. Jeho nevýhodou je, že za mokra ztrácí většinu své pevnosti. Ke stálosti je třeba, aby obal vydržel několik cyklů močení. Vhodný obal jádra vyrobený technologií spunbond má vykazovat dokonalé filtrační vlastnosti při nízké plošné hmotnosti cca 10 g.m-2 i nižší. Taková textilie si zachovává svou pevnost i za mokra, a tím zajišťuje zachování tvaru jádra při opakovaném močení nebo pohybu dítěte. K zajištění moči v absorpčním jádře slouží spodní fólie na spodní straně pleny. Při její konstrukci se zvyšuje požadavek na kombinaci netkané textilie s polymerním filmem. V současné době se klade důraz na prodyšnost pleny, kterou může zaručit například textilie typu SSMMS s hydrofobní úpravou. Proti průsaku kolem nožiček dítěte jsou v pleně umístěny bariérky s gumičkami, které obepnou stehna dítěte a zabrání úniku moči. Výsledkem stupňující se potřeby dokonalejšího utěsnění vnitřních částí pleny proti prosakování bylo zavedení elastického lemu v pase a před cca deseti lety zavedení bariérových postranních pásků, které jsou dnes z hydrofobních textilií typu SMS. Pro snadnější upevnění jsou na zadní části spodní vrstvy umístěny fixační pásky, jsou to buď lepicí pásky, nebo suché zipy. Na přední 91

2 dil kap 4.p65

91

28.7.2008, 14:01

časti je umístěna okrasná fólie nebo okrasný suchý zip. Tyto mechanismy umožňují opakované sejmutí pleny.

4.5.3 KonstrukËnÌ v˝voj plen Následující obrázky a hodnoty odpovídají dětské střední pleně. 1965ñ1985

1

První generace plen Celulóza: 50–55 g Hustota jádra: 0,06 g.cm3 2 4

3

Obr. 4.34: PrvnÌ generace plen, kde (1) je vrchnÌ vrstva, (2) absorpËnÌ j·dro, (3) spodnÌ vrstva, (4) celulÛza.

1985ñ1990

1

5

2

4

3

Druhá generace plen Celulóza: 30–40 g (90 %) SAP: 3–5 g (10 %) Hustota jádra: 0,08–0,10 g.cm-3

Obr. 4.35: Druh· generace plen, kde (1) je vrchnÌ vrstva, (2) absorpËnÌ j·dro, (3) spodnÌ vrstva, (4) celulÛza, (5) superabsorpËnÌ pr·öek (SAP).

6

1990ñ1993

1

5

2

4

3

Tenký výrobek Celulóza: 25–30 g (75 %) SAP: 8–10 g (25 %) Hustota jádra: 0,10–0,12 g.cm-3

Obr. 4.36: Tenk˝ produkt, kde (1) je vrchnÌ vrstva, (2) absorpËnÌ j·dro v†hedv·bnÈm papÌru, (3) spodnÌ vrstva, (4) celulÛza, (5) SAP, (6) hydrofobnÌ bariÈry. 92

2 dil kap 4.p65

92

28.7.2008, 14:01

6

7

1

1993ñ1995

5

2

4

3

Ultratenký výrobek Celulóza: 15–20 g (55 %) SAP: 12–16 g (45 %) Hustota jádra: 0,13–0,16 g.cm-3

Obr. 4.37: Ultratenk˝ v˝robek, kde (1) je vrchnÌ vrstva, (2) absorpËnÌ j·dro v†hedv·bnÈm papÌru, (3) spodnÌ vrstva, (4) celulÛza, (5) SAP, (6) hydrofobnÌ bariÈry, (7) akviziËnÌ distribuËnÌ vrstva.

6

7

SouËasnost

8

1

Současný výrobek 5

2

4

3

Obr. 4.38: SouËasn˝ v˝robek, kde (1) je vrchnÌ vrstva, (2) absorpËnÌ j·dro v†hedv·bnÈm papÌru, (3) spodnÌ vrstva, (4) celulÛza, (5) SAP, (6) hydrofobnÌ bariÈry, (7) akviziËnÌ vrstva, (8) distribuËnÌ vrstva.

V průběhu vývoje se tedy snižovala tloušťka a hmotnost výrobků snížením obsahu celulózových vláken, zvyšovala se hustota absorpčního jádra a množství superabsorpčního prášku. Celkově se zdokonalovala konstrukce dětské i inkontinentní pleny.

4.5.4 Inkontinence Únik moči neboli inkontinence je v určitém životním období onemocněním velice častým a poměrně nepříjemným. Ovlivňuje negativně všechny oblasti života postiženého. Samovolný, byť jen dočasný únik moči je navíc pro každého velmi citlivým tématem, o kterém se nesnadno hovoří. Je chápána především jako zdravotní problém, spojený s vyšším věkem člověka. Inkontinence je však diagnózou, která postihuje jak ženy a muže, tak i děti a negativně ovlivňuje kvalitu jejich života. U dětí je pomočování způsobeno nejčastěji nezralostí nervového systému, který neumí složitý proces mo93

2 dil kap 4.p65

93

28.7.2008, 14:01

čení závislý na vůli ještě zcela suverénně ovládat. Výskyt pomočování je častý dokonce i v dospívání. U mladých zdravých žen je nejčastější poruchou postihující močový měchýř tzv. stresová inkontinence. U žen starších 65 let není příčina inkontinence jednotná. Na mimovolním odchodu moči se podílí více faktorů. Nejvýznamnějším je patrně přirozené ochabnutí svalstva, které již není schopno krátkou močovou trubici dostatečně pevně uzavřít. U starších mužů je inkontinence způsobena zvětšenou prostatou, která může blokovat močovod. To může ztížit vyprazdňování močového měchýře či způsobovat únik malého množství moči. Druhy inkontinence Jak naznačují některé z následujících klasifikací, inkontinence se projevuje různými způsoby v závislosti na jejích příčinách. Stresová inkontinence – nečekaný únik moči při smíchu, kašlání, kýchání nebo určitém fyzickém cvičení. Nejčastější příčinou je oslabené svalstvo pánevního dna nebo menopauza. Pro velmi lehkou až střední stresovou inkontinenci se především u žen používají anatomicky tvarované vložky, které jsou schopny zadržet 170–680 ml moči. U mužů se používají pro lehkou inkontinenci absorpční kapsy s absorpční kapacitou 350 ml. Urgentní inkontinence – silné a náhlé nucení se vymočit. Močový měchýř se začne okamžitě vyprazdňovat navzdory snaze moč udržet. Jde o nedostatek koordinace impulzů mozku a činností močového měchýře. Pro tento druh inkontinence se používají anatomicky tvarované pleny (pro ženy i muže) především u mobilních pacientů. Jejich absorpční kapacita je 750–2100 ml inkontinentní tekutiny. Inkontinence z „přeplnění“ – pokud se močový měchýř nevyprazdňuje dokonale, množství moči se zvyšuje a následně uniká. V případě tohoto druhu inkontinence jsou vhodné plenkové kalhotky pro dospělé, a to především u ležících pacientů. Zde se absorpční kapacita pohybuje kolem 1000–2700 ml moči. U plenkových kalhotek pro dospělé, vhodných pro pacienty soběstačné v obsluze, se absorpční kapacita pohybuje od 2400 do 3000 ml moči. Inkontinentní plena se skládá z nepropustné, elastické vnější fólie kolem celého výrobku, která má integrovaný indikátor vlhkosti. Dále obsahuje speciální savé jádro se zesílenou extrémně savou vrstvou, které garantuje vysokou savost a absorpční kapacitu. Po stranách jsou umístěny měkké pásky z hydrofobního materiálu pro dodatečnou ochranu před vytékáním. K odvádění vlh94

2 dil kap 4.p65

94

28.7.2008, 14:01

kosti slouží vrstva, která odvádí tekutinu do savého jádra a současně chrání před zpětným provlháním. Celoplošné překrytí netkanou textilií i přes okraje fólie, anatomický tvar s elastickým zakončením v oblasti rozkroku a opakovaně použitelné lepicí pásky přispívají ke komfortu nošení spotřebitelem.

Obr. 4.39: NavlÈkacÌ plenkovÈ kalhotky a vloûnÈ pleny pro st¯ednÌ stupeÚ inkontinence [P¯evzato: http://www.medipos.cz] U plen pro inkontinentní pacienty je potřeba, aby dokázaly absorbovat moč během opakovaného močení a následně ji distribuovat k absorpčnímu jádru. Je třeba udržet moč, případně fekálie, uvnitř výrobku, izolovat pokožku od vlhkosti a redukovat zápach moči. Výrobky by měly splňovat maximální komfort nošení, jednoduchou aplikaci při oblékání a svlékání. Neměly by být hlučné (tzn. šustit) a samozřejmě musejí být diskrétní.

4.6 AntidekubitnÌ pom˘cky Na úvod je vhodné definovat termín proleženina nebo také dekubitus. Jedná se o poškození kůže, popřípadě podkoží, které může v pozdějších stadiích zasáhnout i hlubší tkáně, včetně kostí. Na vzniku dekubitu se podílí více faktorů, které lze rozdělit na mechanické a chemické vlivy. Z mechanických vlivů je za nejdůležitější považován působící tlak. Tlak může působit jak zvnějšku, tak i zevnitř. Vnější tlak je nejčastěji způsoben nesením váhy lidského těla. Ta se soustřeďuje v těch místech, kde je povrch kůže blízko kostem. Tkáň je pak stlačována mezi kostí ze strany jedné a podložkou ze strany druhé. Stupeň poškození tkáně je dán nejen intenzitou, ale také dobou, po kterou tlak působí. Vnitřní působení tlaku může být zapříčiněno například zubní protézou, dlouhodobě zavedenou cévkou, zlomeninou nebo jiným předmětem, který tlakově působí na tkáň. Pak hovoříme o tzv. dekubitu sliznice. Proleženina může vzniknout také působením tlakového obvazu, bandáže, sádrového obvazu nebo ortézy. Za kritickou hodnotu tlaku, jehož překročení 95

2 dil kap 4.p65

95

28.7.2008, 14:01

může již způsobit vznik dekubitu, je považován tlak převyšující 32 mm Hg (4,27 kPa). Pokud tlak působící na tkáň tuto hodnotu přesáhne, dojde k uzavření drobných cév, které nemohou tkáň zásobovat okysličenou krví, a dochází tak k ischemické poruše, která vede k poškození tkáně. Je důležité zdůraznit, že významnou roli zde hraje také čas, tedy doba, po kterou k nedokrevnosti dochází. Je-li tato doba dostatečně krátká, může být poškození vratné, pokud je doba příliš dlouhá, dojde ke vzniku proleženiny. Tato doba je značně individuální a může se pohybovat v desítkách minut až po dny. Velkým problémem při rozpoznávání počínající proleženiny je fakt, že k jejímu rozvoji dochází v podkoží, a nikoliv na kůži. To je dáno tím, že kůže dokáže působícímu tlaku lépe odolávat. Kromě tlaku existují i další další mechanické vlivy mající vliv na vznik a případný rozvoj proleženin. Jsou to tyto: • tření kůže. Tření může způsobit drobná poranění, a otevřít tak bránu infekci. Uvádí se, že toto poranění mohou způsobit sami ošetřovatelé, když se snaží pohybovat pacientem po podložce. Tření samozřejmě nevzniká pouze mezi kůží a podložkou, ale například v kožních záhybech; • smykové síly. Jsou způsobeny vzájemným pohybem jednotlivých vrstev kůže, podkoží a tkáně. Působením střižných sil dochází k napínání kůže a ke ztenčení cév, následkem čehož je omezeno proudění krve. Střižné síly vznikají kupříkladu při sezení na židli, nebo je-li zvednuta část těla vůči jiné – dochází k posouvání těla vůči podložce vlivem gravitační síly. K chemickým vlivům patří: • působení vlhkosti. Postupně dochází k změknutí kůže, která pak hůře odolává mechanickému působení a zejména tlaku. Vlhkost může být způsobena zvýšenou potivostí třeba při horečnatých onemocněních nebo při zvýšené okolní teplotě, ale může vzniknout také politím pacienta během příjmu tekutin; • inkontinence, tedy samovolný, nekontrolovatelný únik moči nebo stolice. Unikající látky obsahují poměrně agresivní látky, jakými jsou například kyselina močová nebo různé soli, navíc mohou obsahovat choroboplodné zárodky, které jsou potenciálním zdrojem infekce. Proto tyto látky ještě více podporují maceraci (rozkládání) povrchových vrstev kůže, což usnadňuje přístup infekci, navíc ony samy mohou být zdrojem infekce. Kupříkladu inkontinentní pacienti jsou až pětkrát náchylnější ke vzniku proleženiny. Infekce je komplikací, která výrazně zhoršuje hojení proleženiny. Infekce je v proleženině přítomna téměř vždy a do rány může být zanesena z blízkého okolí, třeba při ošetřování rány, pohybu po znečištěné podložce, následkem in96

2 dil kap 4.p65

96

28.7.2008, 14:01

kontinence, přenesením infekce z jiné rány apod. Infekce se může šířit také prostřednictvím krevního řečiště. Pokud se v ráně objeví choroboplodné zárodky, jejich rozvoji napomáhá přítomnost sekretu, hnisu, případně nekrotické tkáně. Pokud není infekce včas zastavena, dochází velmi rychle k jejímu rozšíření na okolní tkáně, což stav pacienta zhorší a sníží pravděpodobnost úspěšnosti léčby. Dalším parametrem je odolnost organismu vůči tlaku. Ta zahrnuje několik bodů. Odolnost tkání Tlak, vznikající mezi podložkou a kostí, působí na tkáně mezi nimi uloženými. Vrchní vrstvu tvoří lidská kůže, další vrstva je tvořena příčně pruhovaným (kosterním) svalstvem. Kůže se skládá ze třech vrstev, a to z pokožky (epidermis), škáry (dermis) a podkoží (subcutis). Z hlediska funkce je pokožka krycí vrstvou těla, která zprostředkovává kontakt s okolním prostředím díky receptorům a zároveň tělo chrání před vnějšími vlivy. Povrchová vrstva má vysokou schopnost regenerace – buňky se rychle dělí (obnova trvá přibližně 30 dnů) a starší buňky jsou vytlačovány směrem k povrchu, kde v závěru zrohovatí a odloupnou se. Škára je tvořena vazivovými buňkami a kůži poskytuje nosnou funkci. Je pružná a poměrně pevná. Obsahuje receptory ukončené na rozhraní s pokožkou, vlasové folikuly, potní a mazové žlázy, které se podílejí na ovládání funkcí kůže. Podkoží je spojeno se svalstvem, je dobře pohyblivé, tvořené vazivovou tkání, vyplněnou tukovými buňkami. Pro tělo představuje jednak zásobu energie, jednak zásobuje živinami svrchnější vrstvy kůže. Podkoží je bohatě prokrveno drobnými cévami, taktéž inervace je rozsáhlá. Tato část kůže je vzhledem k vysokému prokrvení nejnáchylnější na poškození tlakem. Střední vrstva kůže, škára, je zásobována krví cévami vycházejícími z podkoží. Jejich četnost je rovněž vysoká, proto i riziko poškození působícím tlakem je vysoké, avšak menší než v případě podkoží, protože to je pro škáru zdrojem živin. Pokožka odolává tlakovému působení nejlépe. To je dáno tím, že pokožka sama není v podstatě prokrvena a potřebné živiny získává z rozhraní se škárou. Stav tkání Zhoršený stav tkání negativně ovlivňuje odolnost vůči působícímu tlaku. Stav ovlivňují poruchy okysličování krve, nedostatek živin, otrava, poruchy krvetvorby, otoky, dehydratace, stavy vyčerpání apod. Zpravidla jsou spojeny s existencí nějakého onemocnění. Případná onemocnění Riziko vzniku proleženiny narůstá při výskytu nějakého onemocnění. Vysoké 97

2 dil kap 4.p65

97

28.7.2008, 14:01

riziko výskytu hrozí pacientům s cukrovkou a obecně s chorobami metabolismu, jako je selhání ledvin, jaterní činnosti. Rovněž u pacientů s nádorovým onemocněním, především v rozvinutém stadiu, hrozí vyšší riziko vzniku proleženiny. Riziko zvyšuje i výskyt infekce. Stav centrální nervové soustavy Veškeré poruchy, které ovlivňují pohyblivost pacienta, duševní stav či jeho vůli, zvyšují riziko vzniku proleženiny. Pacient si totiž neuvědomuje nutnost změny pozice anebo jí není schopen. Patří sem poruchy mozkové činnosti – cévní mozkové příhody, neurosvalová onemocnění, poškození míchy, duševní choroby, snížený intelekt, deprese, intoxikace léky apod. U stavů, kde chybí určité přirozené napětí svalstva (tonus), je doba vzniku proleženiny výrazně zkrácena na dobu 0,5–1 hod. Věk Riziko vzniku proleženiny se zvyšuje s rostoucím věkem. S věkem klesá pružnost kůže, ubývá cév, které zajišťují prokrvení kůže, a snižuje se citlivosti kůže – pacient vnímá bolest méně intenzivně, proto nemá potřebný podnět ke změně polohy. U mladých imobilních pacientů, do 15 let, se příznaky vzniku proleženin a samotné proleženiny vyskytují až desetkrát méně než u věkové kategorie nad 45 let.

4.6.1 HodnocenÌ rizika vzniku proleûeniny a klasifikace dekubit˘ Nezbytnou informací pro ošetřující personál je znalost stupně rizika vzniku proleženiny. V průběhu let byly navrženy různé hodnotící postupy, které tvoří hodnotící škály. Těchto škál je celá řada, uveďme některé z nich: škála podle Nortonové, Hibbsové, Braden-Bergstromova škála, Shannon škála nebo Waterlow škála. Tyto škály hodnotí různá hlediska, jež souvisejí s rizikem vzniku proleženiny. Hodnotí se zpravidla duševní stav, aktivita, pohyblivost, případně další nemoci, kterými pacient trpí, nebo inkontinence. Braden-Bergstromova škála dále hodnotí především stav kůže, ale například i vliv střižných sil nebo výživu pacienta. Škála Waterlow hodnotí také tělesné předpoklady – věk, medikamentózní léčbu, neurologické poruchy a rizika v podobě prodělaných operací, zranění. Shannon škála hodnotí stav kůže i z hlediska tělesné teploty a prokrvení. Škála podle Nortonové byla vybrána pro používání v České republice. Tato škála hodnotí následující faktory: schopnost spolupráce, věk, stav pokožky, další nemoci, tělesný stav, stav vědomí, pohyblivost, inkontinence, aktivita. 98

2 dil kap 4.p65

98

28.7.2008, 14:01

Všechny škály mají podobný systém bodového hodnocení, přičemž větší počet bodů znamená nižší riziko vzniku proleženiny. Každá škála má svou bodovou hranici, která, pokud jí není dosaženo, znamená riziko vzniku proleženiny. Bodovému hodnocení přísluší následující slovní označení stupně rizika vzniku proleženiny: Nízký stupeň rizika – z hlediska používaných pomůcek se doporučují pasivní antidekubitní podložky. Střední stupeň rizika – k matracím se navíc používají klíny pod končetiny a pro podkládání trupu při bočním polohování. Vysoký stupeň rizika – používají se aktivní antidekubitní matrace, pacient se polohuje. Velmi vysoký stupeň rizika – jako předchozí, zkracují se intervaly mezi polohováním. Při hodnocení účinnosti podložky proti proleženinám se uvádí, pro jaké riziko je podložka určena. »·st tÏla »etnost [%]

Paty

DolnÌ H˝ûdÏ konËetiny

20

5

27

KyËelnÌ KostrË kloub 10

31

HornÌ konËetiny

Trup

3

4

Tabulka 1: NejËastÏjöÌ oblasti v˝skytu dekubit˘ Klasifikace dekubitů Za účelem popisu stadia, ve kterém se proleženina nachází, byla vytvořená čtyřbodová stupnice, která popisuje vzhled postiženého místa. Stupnice má čtyři body a nazývá se podle jejího tvůrce Stirlingova. Je nutno mít na paměti, že rozvíjející se proleženina se na první pohled nemusí jevit jako závažné postižení, protože, jak již bylo uvedeno výše, k jejímu rozvoji dochází pod povrchem kůže, která je postižena až v pozdějším stadiu proleženiny. Proto jen včasně diagnostikovaná proleženina se správně ohodnoceným stupněm může předejít značným komplikacím při následné léčbě. 1. stupeň – vzniká po relativně krátké době, je indikován ostře ohraničeným zarudnutím, které signalizuje nedokrevnost. Při stlačení postiženého místa zarudnutí nevymizí. Tento stupeň je zpravidla reverzibilní a po oddálení tlaku dochází k prokrvení a návratu tkání do původního stavu řádově během hodin. 2. stupeň – kůže již vykazuje určité poškození. Má namodralou barvu, není prokrvována – cévní systém už je narušen. Kůže může být celistvá nebo 99

2 dil kap 4.p65

99

28.7.2008, 14:01

narušená. Jeví se jako puchýř nebo mělký důlek ve formě povrchového vředu. V této fázi ještě není postiženo podkoží. 3. stupeň – je charakterizován poškozením všech tří vrstev kůže, může být poškozeno i vazivové pouzdro svalů (fascie). Rána je kryta černou suchou vrstvou nebo nekrotickou tkání. Tento stupeň se neobejde bez odstranění nekrózy, v případě většího rozsahu dekubitu chirurgicky, jinak mechanicky. 4. stupeň – je podobný stupni předchozímu, má však větší rozsah, co se týče hloubky rány. Tkáň je narušena kompletně, včetně svalové, napadeny mohou být i kosti a klouby. Tento stupeň dekubitu zpravidla vyžaduje invazivní chirurgickou léčbu. Z hlediska prevence i léčby je vždy nutné bez ohledu na riziko nebo stupeň proleženiny odlehčit postiženou, respektive rizikovou oblast, tzn. hlavní příčina – tlak – musí být odstraněna. K tomu je nutné zaujmutí správné polohy těla, kterému napomáhají vhodně polohovatelná lůžka, především ta, která umožňují natočení okolo podélné osy, tzv. laterální náklon. Dále je vhodné riziková místa podkládat vhodnými podložkami, klíny nebo polštáři k tomu určenými. Nedílnou součástí péče je i používání vhodných antidekubitních podložek. Místa se zvýšeným rizikem vzniku proleženin Proleženiny vznikají na různých místech těla, ale mají společné, že ke vzniku jsou nutné tyto předpoklady: blízkost kosti nebo kostního výběžku k povrchu kůže, tedy tam, kde je tenká vrstva tukové tkáně, nebo místo, kde se koncentruje zátěž. Záleží také na poloze těla, tedy na místech, která jsou ve styku s podložkou. Při poloze vleže na zádech to jsou paty, hýždě, lokty, ramena a zadní část hlavy. Výskyt proleženin na hlavě je ale spíše výjimečný, protože hlava spočívá zpravidla na polštáři, který dobře eliminuje působící tlak. Při ležení na boku to jsou opět paty, kotníky, lýtka, stehna, kyčle, lokty, rameno a ucho. Při ležení na břiše jsou to prsty na nohou, kolena, kyčle, hrudní kost a lokty. Z toho vyplývá, že neexistuje univerzální poloha, při které proleženiny vznikají, a proto, pokud nejsou použity účinné antidekubitní pomůcky, je nutné pravidelné přesouvání zátěže polohováním.

4.6.2 AntidekubitnÌ pom˘cky pro redukci p˘sobÌcÌho tlaku Antidekubitní pomůcky jsou určeny pro prevenci vzniku proleženin, ke zmenšení působícího tlaku u pacientů postižených proleženinami a umožňují jejich postupnou léčbu. 100

2 dil kap 4.p65

100

28.7.2008, 14:01

Antidekubitní systémy se dále dělí na: Polštáře Polštáře se používají pro podložení hlavy (viz obr. 4.40). Vyrábějí se z polyuretanových pěn, nejčastěji z pěny s tvarovou pamětí. Některé mohou být vyráběny ze dvou různých druhů pěn, které se od sebe odlišují svou tuhostí. To, společně s anatomickým tvarováním, umožňuje optimální přizpůsobení tvaru lidskému tělu. Vzhledem k vysokému povrchovému tření, ale i z důvodu údržby a hygieny, jsou opatřeny vhodným potahem. Jiný druh polštářů používá jako výplňkový materiál dutá, nejčastěji polyesterová vlákna. Důvodů pro použití je více, nejdůležitějším je podstatně větší ohybová tuhost dutého vlákna v porovnání s vláknem o stejné jemnosti (o stejné hmotnosti). Při tom lze docílit podstatně větší objemnosti, což ve svém důsledku vede k dobré distribuci tlaku. Další vlastností je jejich dobrá tepelně izolační schopnost. Dutá vlákna jsou umístěna v potahu, který umožňuje potřebnou údržbu. Na rozdíl od polštářů z PU pěn jsou tyto polštáře pratelné.

Obr. 4.40: AntidekubitnÌ polöt·¯e z†dut˝ch vl·ken a PU Podložky Antidekubitních podložek existuje široká škála lišící se nejen použitým materiálem, ale i způsobem použití. Podložky pod patu – zajišťují rozložení tlaku a jeho redukci v místech paty. Umísťují se pod patu a přecházejí na lýtko. Některé zasahují i pod chodidlo. Jsou vyráběny jako otevřené a pro zabránění sklouznutí z končetiny jsou opatřeny fixačními pásky. Pro nízké riziko vzniku proleženiny se vyrábějí z textilie, která imituje ovčí rouno, nebo jsou vyráběny z polštářků plněných dutými vlákny, které jsou vhodně tvarovány, aby patu dobře obepnuly. Jiným materiálem je PU pěna, ze které se vyrábějí podložky pro patu. Tento materiál je vhodný pro všechna rizika, včetně rizika vysokého. PU pěna je tvarována přímo do poža101

2 dil kap 4.p65

101

28.7.2008, 14:01

dovaného tvaru a je opatřena omyvatelným paropropustným potahem. Pro výrobu se používá pěna s tvarovou pamětí. Podložky pod loket – eliminují vliv tlaku pod loketním kloubem. Z hlediska konstrukce jsou podobné podložkám pod patu. Z používaných materiálů převažují dutá vlákna a imitace ovčího rouna, vyrábějí se také z PU pěny. Podložka lůžková – vhodnějším označením by byl spíše potah s antidekubitními účinky. Tento materiál byl popsán výše. Jedná se o imitaci ovčího (popř. jiného) rouna. Bylo zjištěno, že tento materiál snižuje tření mezi pokožkou a podložkou, a tím také omezuje smykové síly. Důvodem je velká pohyblivost konců vláken, které umožňují tvarování podložky podle tvaru těla bez nutnosti vynaložit větší sílu. Podložky polohovací – slouží k podpoře těla při polohování (při laterálním náklonu). Tělo na ní spočívá, a podložka zároveň tělu brání, aby se nevracelo do původní polohy. Klíny se vyrábějí jak pro trup, tak i pro končetiny. Materiálem používaným pro jejich výrobu je především PU pěna, méně se používají dutá vlákna. Podložky pro polohování těla – při polohování je nutné fixovat v podstatě nepřirozenou polohu těla. Toho se dociluje pomocí klínů nejčastěji z PU pěny.

4.6.3 Matrace

Obr. 4.41: Uk·zka pom˘cek do l˘ûka, pro podloûenÌ paty a loktu

Antidekubitní matrace lze dělit podle různých hledisek. Nejběžnější je rozdělení na: • pasivní systémy – nemají žádný řízený systém nebo mechanismus, jak měnit intenzitu tlaku v ploše, objemu v čase; • aktivní systémy – jsou schopny měnit distribuci tlaku změnou mechanických vlastností použitého materiálu. Mechanickou vlastnost zde představuje tuhost matrace.

102

2 dil kap 4.p65

102

28.7.2008, 14:01

Přídavné matrace Přídavné matrace jsou takové, které nenahrazují stávající matraci, ale tvoří její doplněk. Jsou jednoduchým a poměrně levným řešením, jak upravit nejen běžné nemocniční, ale i domácí lůžko pro požadavek snížení rizika vzniku proleženiny. Někdy jsou označovány anglickým výrazem overlay. Název napovídá, že se jedná se o matrace, které se přikládají na horní povrch běžné matrace. Rozdělit je opět můžeme na pasivní a aktivní. Přídavné pasivní vzduchové matrace Jsou tvořeny soustavou komor propojených tak, aby mohlo docházet k přepouštění vzduchu do jednotlivých částí matrace v reakci na pohyb pacienta. Tyto matrace dobře rozkládají váhu, jsou lehké a pohodlné. Jsou založeny na principu stejného tlaku plynu uvnitř uzavřeného prostoru. Vzduch, kterým je matrace naplněna, se po stlačení matrace přesouvá do nestlačené části a zároveň vzroste jeho tlak. Ten zajistí, že se matrace tvaruje podle těla, a tím umožní zvětšení plochy, na které tělo spočívá, což vede k redukci tlaku. Je nutné pravidelně kontrolovat tlak uvnitř matrace. Přídavné aktivní vzduchové matrace Aktivní vzduchové matrace jsou podobné pasivním systémům, ale rozdíl spočívá v konstrukci komor plněných vzduchem. Sousedící komory nejsou propojeny a jsou nafukovány odděleně, ale jsou propojeny střídavě, například každá druhá nebo třetí komora. Tlak v matraci je regulován tak, aby sousedící komory měly rozdílný tlak. Po určité době dojde ke snížení tlaku v komoře, která měla tlak vyšší, a naopak se zvýší tlak v komoře s původně nižším tlakem. To zajistí přesunutí zátěže a odlehčení určité části těla na úkor jiné části. Tlak pak může krátkodobě přesáhnout kritické hodnoty, ale vzhledem k tomu, že čas střídání tlaku v komorách je velmi krátký (jednotky minut), nedochází k poškození tkání. Tento čas je nastavitelný a lze nastavovat i potřebný tlak podle hmotnosti pacienta. Celý cyklus střídání tlaku v komorách probíhá automatizovaně. Součástí matrace je kompresor. Díky tomu se eliminuje nutnost častého polohování pacienta. Obr. 4.42: AktivnÌ p¯Ìdavn· matrace 103

2 dil kap 4.p65

103

28.7.2008, 14:01

Přídavné pěnové matrace Tyto podložky zlepšují vlastnosti stávajících běžných matrací, které nemají antidekubitní účinky. Pokud mají nízkou tloušťku do cca 75–80 mm, neposkytnou významný antidekubitní účinek, ale jsou určeny především pro zvýšení komfortu. Pokud je tloušťka mezi 75–120 mm, lze už hovořit o antidekubitním účinku. Jejich povrch je buď hladký nebo profilovaný, tzv. eggcrate (plato na vejce). Takto upravený povrch poskytuje zlepšenou cirkulaci vzduchu – není tedy z důvodu zajištění proměnlivosti tlaku v ploše výrobku. Gelové matrace Jádro tvoří vysoce přizpůsobivý inertní, netekutý gel, který je schopen kopírovat reliéf lidské postavy. Gelové matrace a podložky se velmi často používají na operačních sálech. Výzkum prováděný v posledních letech ukázal, že tlak operačního stolu patří mezi hlavní příčiny vzniku dekubitů, především u déle trvajících operací. Gelové matrace jsou vyrobeny z elastického polymeru speciálního složení na bázi silikonu, který je pečlivě tvrzen tak, aby vznikl gel, který redukuje tlak. Gel rovnoměrně rozkládá tělesnou hmotnost bez toho, aby byl úplně vytlačen – vlastnost, která je nutná pro odlehčení zatížení během operace. Další předností těchto systémů je tzv. imitace lidské tkáně. Tam, kde nervy probíhají těsně pod pokožkou, plní gelové matrace funkci další vrstvy tkáně, a tím přispívají k zamezení poškození těchto nervů. Je všeobecně známo, že silikonový gel je svou konzistencí blíž lidské tkáni než jiné materiály. Jejich tloušťka je okolo 70–80 mm. Vodní matrace Voda jakožto nestlačitelné médium se chová ještě příznivěji, co se schopnosti distribuce tlaku týká, než vzduch. Použití těchto matrací je však problematické z důvodu přítomnosti velkého množství vody, která způsobuje vysokou hmotnost matrace a její obtížnou manipulovatelnost. Navíc při případném poškození, může dojít ke ztrátě celého objemu vody, což vede nejen k zatopení místnosti, ale zejména k úplné ztrátě antidekubitního účinku. Také doplnění nebo výměna vody, vázaná na přívod vody, nemusí být zcela bez problému. Textilní matrace Zajímavým materiálem, který je použitelný jako přídavná matrace, je distanční pletenina nebo také 3D pletenina, jež se používá i pro konstrukci ortéz. Její mechanické vlastnosti mohou nahradit přídavnou pěnovou matraci. Ke struktuře tohoto materiálu více v kapitole 4.4. 104

2 dil kap 4.p65

104

28.7.2008, 14:01

4.6.4 NahrazujÌcÌ matrace Dělíme je opět na aktivní a pasivní. Tyto matrace zcela nahrazují matrace stávající a dle typu mohou dosahovat podstatně větších antidekubitních účinků než matrace přídavné, a jsou tak vhodné například pro pacienty dlouhodobě upoutané na lůžko a pro pacienty s úrazy páteře. Lze je umístit na standardní lůžko. Textilní matrace Méně rozšířenou variantou jsou matrace textilní. Ty spojují výhodné fyziologické vlastnosti, které poskytuje vlákenná struktura a také nízká cena. Vyrábějí se nejčastěji ze syntetických vláken, ale možná jsou i vlákna z ovčí vlny. Ta mají protirevmatické účinky a výborné tepelně izolační vlastnosti. Struktura vláken může být nahodilá nebo orientovaná v horizontálním či vertikálním směru. Aby byla zajištěna soudržnost vláken, jsou pojena buď tepelně, za použití vláken o nižší teplotě tání, než mají vlákna základní, případně chemicky postřikem (latexy, polyuretany, akryláty) nebo mechanicky. Obrázek 4.45 ukazuje strukturu tepelně pojené polyesterové matrace s vertikálně orientovanou strukturou výrobce Nishikawa Rose.

Obr. 4.43: TextilnÌ pasivnÌ matrace Pěnové matrace Pasivní matrace jsou vyráběny z polyuretanových pěn (obr. 4.46). Od běžných matrací se liší použitím kvalitnějích materiálů z důvodu zajištění stálých mechanických vlastností a životnosti. Většina těchto pěn je vyráběna studenými postupy. Výroba polyuretanu je silně exotermní reakce, při níž se vyvíjí značné teplo. Teplota procesu zásadně ovlivňuje vlastnosti vyráběné pěny. Pokud toto teplo není odebíráno, jedná se o výrobu tzv. teplých nebo horkých pěn. Pokud je teplo odváděno, tzn. formy, do kterých se polyuretan odlévá, jsou intenzivně chlazeny, pak je teplota procesu podstatně nižší než při výrobě horkých pěn a docílí se pěny tzv. studené. Struktura této pěny má širokou distribuci průměru buňky a tyto buňky jsou navíc otevřené, průchozí. To vede k lepším mechanickým vlastnostem a k vyšší prodyšnosti pěny. Tyto pěny jsou vhodné pro kon105

2 dil kap 4.p65

105

28.7.2008, 14:01

strukci antidekubitních podložek. Dalším typem pěny, která se používá pro konstruování antidekubitních podložek, je termoplastická pěna. Na její tuhost má vliv nejen hodnota deformace, ale i teplota. S rostoucí teplotou pěny její tuhost klesá. Pěnové matrace se konstruují tak, aby poskytly co nejlepší podporu. Problémem je, že každá část těla má jiné proporce a jinou hmotnost, proto i samotná matrace musí těmto lokálně odlišným podmínkám odpovídat. Toho se dociluje použitím pěn různých druhů o různých tuhostech a s odlišně upraveným povrchem. Pro zajištění dobré manipulovatelnosti a prostorové tuhosti je jádro matrace vloženo do jakéhosi rámu, tvořeného tužší pěnou jednoho druhu. Výztuha také usnadňuje vstávání z lůžka. Do tohoto rámu se pak vkládají odlišné druhy pěn. Ty mohou být profilované, což zajistí měkkost pěny a dobrou cirkulaci vzduchu. Matrace má zpravidla tři lokality, a to hlavovou část, část, na které spočívá trup, a část, která je umístěna pod patami.

Obr. 4.44: PasivnÌ antidekubitnÌ matrace

Vzduchové matrace Aktivní vzduchové matrace Tyto matrace dosahují velkého antidekubitního účinku a jsou použitelné i pro nejvyšší stadia proleženiny (obr. 4.45). Z hlediska principu jsou shodné jako přídavné vzduchové matrace, rozdíl je v objemnější konstrukci. Ta zajistí podstatně větší objem vzduchu, který je uvnitř matrace soustředěn, a to vede i k lepší schopnosti roznášet tlak. Nutnost výměny relativně velkého objemu vzduchu vyžaduje použití výkonnějších kompresorů. Jednotlivé lokality jsou ve formě příčně umístěných polštářů. Tyto lokality jsou pak uzavřeny do paropropustného potahu, který jádro chrání před znečištěním. Tyto matrace mají samozřejmě i režim statický – jednotlivé části udržují stále stejný tlak. 106

2 dil kap 4.p65

106

28.7.2008, 14:01

Obr. 4.45: AktivnÌ vzduchov· matrace

Aktivní vzduchové matrace s unikajícím vzduchem Tyto matrace jsou konstrukčně podobné aktivním vzduchovým matracím. Rozdíl spočívá v použití materiálu, z něhož jsou jednotlivé lokality vyrobeny. Tento materiál je prodyšný a umožňuje trvalý únik vzduchu. Tento systém se nazývá Low air loss system. Unikající vzduch osušuje pokožku a brání její maceraci. Je nutné použít výkonné kompresory pro stálou kompenzaci tlakové ztráty způsobené unikajícím vzduchem. Tyto matrace jsou považovány za nejúčinnější antidekubitní systémy.

4.6.5 Potahy antidekubitnÌch matracÌ Nedílnou součástí matrace je její potah. Potah je konstruován tak, aby zamezil vniku tekutiny. Jedná se o pleteninu, která je opatřená zátěrem na bázi polyuretanu. Pletenina zajišťuje rozměrovou stabilitu a díky použité vazbě obousměrnou roztažnost. Zátěr je mikroporézní, to znamená, že obsahuje drobné póry zajišťující průnik vodních par, ale neumožňují průnik tekutiny. Jedná se tedy o membránu, která je v principu shodná s membránami, které se používají například při konstrukci sportovních oděvů. Je třeba upozornit na fakt, že jakýkoliv potah zhoršuje kvalitu antidekubitní matrace. Příčina spočívá v tzv. svěrných účincích materiálu, který má určité předpětí. Podobného jevu se využívá u kompresních punčoch, kdy je určitý tlak žádoucí pro zajištění narušené funkce žilních chlopní. Naopak u potahu dochází ke zvýšení kontaktního tlaku vlivem svěrného účinku a tento tlak se sčítá s tlakem, kterým by tělo zatěžovalo podložku vlivem gravitace. 107

2 dil kap 4.p65

107

28.7.2008, 14:01

KonËetina

TÏlo

P¯edpjat· textilie RovnomÏrnÏ rozloûen˝ tlak p

P¯edpjat· textilie PromÏnn˝ tlak p

Obr. 4.46: Zn·zornÏnÌ vlivu svÏrn˝ch ˙Ëink˘ textiliÌ Zatímco v prvním případě je tlak rovnoměrný – je závislý na poloměru křivosti, který je v tomto případě konstantní. V druhém případě je tlak proměnný, největší je v místě s nejmenším poloměrem křivosti, což bude v místech, kde je tělo do potahu a podložky vtlačeno nejhlouběji. Vliv svěrného tlaku je znázorněn na obr. 4.46. V kapitole 4.6.2 byly popsány podložky, které imitují ovčí rouno. Jejich hlavní přínos spočívá v eliminaci smykových sil, volně pohyblivé úseky vláken nejsou schopny smyk v podstatě přenášet, a tak se jejich účinek omezuje na tkáň. Z hlediska antidekubitních účinků je tedy jakýkoliv potah nežádoucí, jeho jedinou pozitivní vlastností je snadná údržba a ochrana jádra matrace. Proto jeli používán, měl by být co nejpružnější a roztažitelný velmi malou silou ve všech směrech, a pokud možno prodyšný.

4.6.6 ZkouöenÌ antidekubitnÌch systÈm˘ Účinnost antidekubitních podložek je velmi obtížně zjistitelná bez k tomu účelu konstruovaných měřících zařízení a systémů hodnocení získaných výsledků. Při návrhu vhodné konstrukce je nutno volit materiály pokud možno měkké, a přitom pružné. Do značné míry se jedná o postup vycházející ze zkušeností. Zjišťování hodnoty kontaktního tlaku, tj. tlaku mezi tělem a podložkou, se provádí zařízením, které se podkládá pod tělo. Vzhledem k tomu, že se toto zařízení stává spoluvrstvou matrace, které má určité svěrné účinky, je pro jejich minimalizaci nutné zajistit velkou přizpůsobivost, aby se do stanovení tlaku nevnášely případné chyby. Měření je nutno provádět v celé ploše, na které tělo spočívá, proto je měřící podložka rozprostřena po téměř celé zkoušené matraci. Tato nutnost vychází ze skutečnosti, že lidské tělo je členité, a proto v každém místě zatěžuje podložku odlišně. Měřící podložka je rozdělena do mnoha diskrétních bodů (7200), z nichž každý dává informaci o aktuálním tlaku. Výsledek je získáván ve formě tlakový polí (obr. 4.47), která se poté dále vyhodnocují. Měření tlaku je založeno na kapacitním principu – jedná se tedy o kondenzátor, který 108

2 dil kap 4.p65

108

28.7.2008, 14:01

stlačením změní vzdálenost desek kondenzátoru, a tím i jeho kapacitu. Tato změna je pak podle kalibrace převedena na hodnotu tlaku. Z naměřených hodnot se stanoví počet zatížených snímačů a poměr těch, které překročily hodnotu 32 mm Hg. Tento procentní poměr se nazývá CPP (Critical Pressure Point) a je žádoucí dosažení minimální hodnoty.

Obr. 4.47: Tlakov· z·tÏû ve formÏ tlakovÈho pole a za¯ÌzenÌ XSensor Pro zajímavost jsou uvedeny některé parametry zařízení XSensor: Měření tlaku v rozsahu: 5–50 mm Hg, 10–200 mm Hg Plocha: 32 x 80”, 81,28 x 203,2 cm Měřící plocha: 24 x 72”, 60,96 x 182,88 cm Tloušťka v nestlačeném stavu: 0,04”, 0,1 cm Tloušťka ve stlačeném stavu: 0.03”, 0,081 cm Přesnost: ± 10 % z rozsahu Z minimální tloušťky je patrné, že toto zařízení nebude příliš zvyšovat hodnoty kontaktního tlaku, a tím zatěžovat výsledky chybou.

4.7 P¯ehled d˘leûit˝ch pojm˘ a definic Alginát je obecný výraz pro přípravek z mořských řas. Dekubitální plochy jsou defekty kůže a podkožních struktur, které vznikly v důsledku tlaku podložky na disponované oblasti těla. Dostava tkaniny je parametr, který udává hustotu (počet) dané soustavy nití na 100 mm, v praxi běžně na 1 cm. 109

2 dil kap 4.p65

109

28.7.2008, 14:01

Exspirace léku udává, do kdy lze při správném uchovávání lék použít bez rizika snížení jeho účinku či bezpečnosti. Nekróza je závažné poškození buňky vedoucí k jejímu zániku. Skolióza je vychýlení páteře do strany. Synergický efekt je efekt společného působení více prvků, který je obvykle větší nebo kvalitativně lepší než prostý součet efektů ze samostatného působení jednotlivých prvků. Zdravotnický prostředek je nástroj, přístroj, pomůcka, zařízení, materiál nebo jiný předmět nebo výrobek používaný samostatně nebo v kombinaci, včetně potřebného programového vybavení, který je výrobcem nebo dovozcem určen pro použití u člověka.

4.8 DoporuËen· literatura Barsa, P., Suchomel, P.: Krční ortézy a jejich význam v klinické praxi. Neurologie pro praxi 6/2005. Dostupné na: http://www.neurologiepropraxi.cz/pdfs/ neu/2005/06/07.pdf. Bureš, I.: Dekubity, ošetřovatelský problém. Sestra 4/96. Tematický sešit 5. Colier, M. E.: Pressure Sore Prevention and Development. Educational et No.3 Northampton Wound Care Society. 1995. Jarkovská, E (2005) Pružné zdravotnické obvazoviny. Diplomová práce. Liberec. Klaška, F Růžek I (2000) Kojenecké pleny Y2K – výzva pro průmysl netkaných textilií pokračuje [Nonwovens symposium]. Lukáš, D.: (2001) Teorie netkaných textilií. Liberec. Madsen, J. B. (2001) New generation of hydrophilic spunmelt composites. [Nonwovens world]. Militký, J. (2007) Technické textilie. Liberec. Raupová, P. (2007) Textilie ve zdravotnictví. Bakalářská práce. Liberec. Rothová, V. (2000) Ošetřovatelství pro obor rehabilitační péče o postižené děti. České Budějovice. White, A. A., Panjabi, M. M.: Clinical biomechanics of the spine. 2nd edition, JB Lippincott,Philadelphia, 1990. Why minority fibre content is important, Adine Gericke, Laetitia Viljoen, Riette

110

2 dil kap 4.p65

110

28.7.2008, 14:01

de Bruin, ISSN 0378-5254 Journal of Family Ecology and Consumer Sciences, Vol 35, 2007, str. 40. Česká technická norma ČSN EN ISO 10328, 84 4003, vydané ČNI v roce 2001. Česká technická norma ČSN EN 31 092, 80 0819, vydané ČNI v roce 1996. Česká technická norma, ČSN EN 13795-1,2, vydané ČNI v roce 2003 a 2005. Defektologický slovník. Kolektiv autorů. SPN, Praha 1984. Sbírka předpisů ČR. http://www.hpb.cz/index.php [Online: 20. 2. 2008] http://cz.hartmann.info/CZ/77882.htm [online: 28.3.2008] http://www.sutures-bbraun.com/index.cfm[online:12.3.2008] http://www.swicofil.com/sutures.html[online:5.2.2008] http://www.chirmax.cz/chirmax_multi/index.php?stranka4676aa[online: 15.1.2008] http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/496631-transmisivni-spongiformni-encefalopatie[online:14.12.2007] http://www.ordinace.cz/clanek/inkontinence-moci http://www.mineralfit.cz/clanek/2460—orteza—nenahraditelna-fixacni-pomucka.html http://www.too.cz/ortopedie http://www.ortonehonsky.cz/ortezy/ http://www.ortotika.cz/ortopedick%E9%20pom%F9cky.htm http://www.snizek-ortezy.cz/sekce1.asp http://www.tebo.cz/pouziti11.php http://coolmax.invista.com/why_coolmax.html http://www.ms-protetik.cz/view.php?cisloclanku=2006100003 http://www.zdravotnicke-prodejny.cz/vyrobky-thuasne.php http://www.pvtnet.cz/www/enthan/katalog.htm http://www.atlastrade.cz/51-rameni-kloub/ http://www.ortika.cz

111

2 dil kap 4.p65

111

28.7.2008, 14:01

5. UmÏlÈ cÈvy a n·hrady Ond¯ej Nov·k

5.1 ImplantovatelnÈ textilie Dojde-li k poškození tkáně, ne vždy lze provést její obnovu, a tím zajistit potřebnou funkci. Proto se lékaři a vědci snažili a stále snaží hledat vhodné materiály s takovými vlastnostmi, které budou co nejblíže původnímu, biologickému materiálu. V zásadě se lze setkat s těmito implantáty: • Náhrady měkkých tkání, kam patří šlachy, vazy, kůže, kontaktní čočky, materiály pro operace kýly. • Náhrady tvrdých tkání, ke kterým se řadí náhrady kloubů, kostí a zubů. • Kardiovaskulární náhrady, které slouží k náhradě tepen, cév, chlopní. Je zřejmé, že ne všechny implantáty jsou konstruovány z textilních materiálů. Naopak, je jich menšina, nicméně nacházejí uplatnění v nejdůležitější oblasti implantátů a tou jsou cévní náhrady. Proto bude největší pozornost věnována právě jim.

5.1.1 Historie cÈvnÌch n·hrad Rozvoj cévní rekonstrukční chirurgie je spojen s vývojem cévních náhrad. Na prahu této disciplíny stál Dr. Charles Claude Guthrie (1880–1963) a jeho pomocník Alexis Carrel (1873–1944). Ti se zabývali všemi dostupnými aspekty cévní chirurgie, včetně spojování cév, transplantací tkání i celých orgánů. Základy mnoha chirurgických postupů, které jsou dnes považovány za samozřejmost, byly položeny právě jimi. Na základě toho obdržel Carrel v roce 1912 Nobelovu cenu. Byla to vůbec první americká Nobelova cena udělená za lékařství. Přestože Carrel nebyl více než pouhým asistentem Guthrieho, cena mu zajistila trvalou slávu, zatímco Guthrie zůstal v pozadí. Vlastnosti ideální náhrady nebyly dosud zcela definovány, ale měly by být snadno dostupné v mnoha velikostech a délkách. Měly by být trvanlivé a odolné proti biologickému a mechanickému působení. Ideální štěp by si měl zachovat stejnou poddajnost jako normální céva. Měla by být pružná, zachovávající tvar při ohybu, aniž by docházelo byť jen k částečnému uzavírání. Musí být snadno upevnitelná pomocí šití při zachování celistvosti, nesmí způsobovat další poranění nebo reakce s krví nebo reagovat za vzniku sraženin. Měla by být odolná infekci a s mož112

2 dil kap 5_6.p65

112

23.7.2008, 13:45

ností sterilizace bez poškození. Důležitá je optimální porozita, která umožní dobré zavedení bez následného krvácení. Během vývoje vhodných cév byla odzkoušena celá řada materiálů. Na počátku to byly nepropustné trubice. Pokusy implantovat tuhé, inertní materiály, mezi nimiž bylo sklo nebo kov, se nesetkaly s úspěchem. Tyto materiály sice byly funkční po krátký čas, co se zajištění průtoku týče, ale nikdy nebyly přijaty hostitelem a následně byly poškozeny šicí nití. O mnoho lépe nedopadly pokusy použít celistvé plastové náhrady, avšak byl učiněn úspěšný pokus s plastovou náhradou z vysoce leštěného metylmetakrylátu, vhodně tvarovaného vzhledem k průtoku krve a umístěného do tepny pomocí upevňovacích kroužků namísto šití. Modifikace této techniky je i dnes využívána pro tkané polyesterové nízkoporézní náhrady, které jsou na konci opatřeny tuhými vlnitými kroužky z polypropylenu pro vybrané akutní výduti srdečnice apod. Explozivní růst cévní chirurgie nastal se zavedením poddajných porózních textilních náhrad. Vinyon N, polymer vinyl chloridu a akrylonitrilu, představený v roce 1952, byl výsledkem průkopnického úsilí Vooheerse a jeho kolektivu. Ve svých laboratořích vypozorovali, že hedvábná nit, zavedená do pravé srdeční komory psa, se časem potáhne lesknoucí se tenkou tkání bez sraženin. Na základě tohoto pozorování zjistili, že jestliže je náhrada vytvořena ze sítě podobné tkanině, dojde po implantaci k rychlému zastavení průsaku krve skrz její stěnu vytvořením fibrinové vrstvy na její vnitřní straně. Tato vrstva může dále sloužit jako vhodné rozhraní krev–náhrada, navíc fibroblast (vazivová buňka produkující prekurzory kolagenních vláken) může prorůstat mezerami – póry textilie. Potažení fibroblastem může sloužit jako vhodný základ pro růst endoteliálních buněk (tyto buňky tvoří rozhraní krev–céva) nebo se může přeměnit na vnitřní vrstvu stěny – intimu. Prvně byl vinyon N implantován na dolní končetině, bohužel došlo k rychlému selhání z důvodu ztráty pevnosti v tahu a pacient zemřel 30 minut po operaci. Proto se jedná spíše o historický význam. Neschopnost zachovat pevnost se ukázala i u vinylchloridu (produkt Valon) v houbovité formě nebo produktu z regenerované celulózy (produkt Fortisan). Splétaná nylonová náhrada představená Edwardem a Raplem také selhala díky ztrátě pevnosti, ale byla první, která byla vrapovaná za účelem zajištění tažnosti a tvaru při ohybu. Ve skutečnosti se většina pružnosti ztratí během implantace a jediný význam vrapování spočívá v usnadnění napojení. Navíc, pokud nedojde k dostatečnému natažení vrapování během implantace, negativně se ovlivní povrchová trombogenicita, efektivní vnitřní průměr, dynamika proudění a stupeň hojení. Dřívější náhrady byly konstruovány s podélným švem, který se obvykle třepil, proto bylo nutné konce před našitím založit. Prvními bezešvými a větvícími se (bifurkačními) náhradami se staly ty, jež byly vyrobeny z poly113

2 dil kap 5_6.p65

113

23.7.2008, 13:45

akrylonitrilu. Bohužel i ty ztrácely po implantaci svou pevnost. Dacron je obchodní název pro polyetylenglykoltereftalát, jeden z nejznámějších druhů polyesterů, v USA byl představen v roce 1946. Polytetrafluoretylen nebo také teflon byl ve formě multifilamentních vláken dostupný v roce 1954. Žádný z obou materiálů neinklinoval k degeneraci po implantaci. Polyester a teflon jsou výborné materiály, protože jsou pevné, nereaktivní, nekarcinogenní a zachovávají pevnost po dlouhou dobu. Z bezpočtu materiálů jsou pouze tyto dva užívány v klinické praxi. Historický významná data Carrel a Guthrie položili technické základy cévní chirurgie, 1906. Goyanes – první autologní cévní bypass, 1906. Tuffier – pevná inertní náhrada, 1915. Použití heparinu proti srážení krve, 1940. Hufnagel – metylmetakrylátová náhrada, 1947. Voorhees – vinyon N, první textilní náhrada, 1952. Edwards a Tapp – vrapovaná polyamidová náhrada, 1955. Sanger – bezešvá textilní náhrada, 1956. DeBakey – polyesterová náhrada, 1957. Edwards a Lyons – teflonová textilní náhrada, 1958. Soyer – ePTFE, 1972.

5.1.2 D˘vody pouûitÌ n·hrad Cévní náhrady se používají v případě, že biologická céva přestala plnit svou funkci a nelze ji uspokojivě rekonstruovat. K tomu může dojít z následujících důvodů: • Poranění, které poškodilo cévu natolik, že ji nelze rekonstruovat. Sem spadají zranění způsobená bodnou nebo střelnou zbraní, případně způsobená pádem, nárazem (prudká deakcelerace). Dochází při nich k úniku krve. Od místa zranění směrem dále od srdce krev neproudí nebo proudí omezeně. • Choroby: ty způsobí změnu v průchodnosti cévy. K tomu vedou tři základní mechanismy: – Sraženina (trombóza) – v cévě může dojít ke vzniku krevní sraženiny. Ta je buď přichycena ke stěně cévy, a tak omezuje průtočnou plochu cévy, případně se může odtrhnout a doputovat do míst, kde způsobí ucpání. – Výduť (aneurysma) – k výduti dojde v případě, že stěna cévy je oslabená nebo poškozená a hůře odolává působícímu tlaku. Ten způsobí vyklenutí 114

2 dil kap 5_6.p65

114

23.7.2008, 13:45

oslabeného místa. Dojde ke zvětšení průměru cévy, což vede ke změnám tlaku proudící krve. – Kornatění (ateroskleróza) – na stěnách cév dochází k usazování tuku, vaziva, cholesterolu a dalších, přičemž narůstající vrstva snižuje elastičnost cévy, a zejména její průřez. To vede k omezenému proudění krve. Pokud je to možné, je snaha provést rekonstrukci či náhradu pomocí autologní tkáně. Tak se například postupuje u srdečních bypassů (přemostění), kdy se k přemostění používá céva z lýtka. Pokud to možné není, například proto, že cévy jsou pro tento účel nevhodné, přikročí se k použití umělé náhrady.

5.1.3 Druhy cÈvnÌch n·hrad Cévní náhrady lze rozdělit podle různých hledisek. Nejjednodušší je dělení dle tvaru na přímé, kónické a větvící se (viz obr. 5.1). Ty se dělí na bifurkační, pokud se rozdělují na dvě větve, nebo multifurkační, pokud se dělí do více větví. Jiné dělení je možné podle průměru, a to na malé, střední a velké průměry. Dále je možno dělit na makroporézní a mikroporézní. Podle způsoby výroby na náhrady vyráběné textilními postupy a to technologií tkaní nebo pletení a na náhrady vyráběné vytlačováním – extruzí

Obr. 5.1: Uk·zka pletenÈ jednoduchÈ cÈvy, teflonovÈ kÛnickÈ cÈvy a pletenÈ vÏtvÌcÌ se cÈvy (bifurkaËnÌ)

115

2 dil kap 5_6.p65

115

23.7.2008, 13:45

5.1.4 N·hrady tepen a cÈv malÈho pr˘mÏru Cévní náhrady mohou být děleny podle materiálů použitých při výrobě, způsobem výroby a podle průměru. Rozdíl mezi cévami s velkým a malým průměrem spočívá ve stupni kompatibility s krví. Velké průměry (12–38 mm) z PTFE a polyesteru jsou přijímány klinickou praxí. Střední průměry cévních náhrad z teflonu, polyesteru a biologických materiálů dominují trhu s cévami o průměru 5–10 mm. V oblasti malých průměrů (4 mm a méně) jsou to materiály biologické, syntetické jsou zatím ve vývoji. Většina velkých průměrů se vyrábějí z polyesteru, z toho tři čtvrtiny jsou bifurkační, zbývající čtvrtina je přímá. Bifurkační cévy jsou používány pro spodní část aorty v místech jejího větvení. Střední průměry jsou vyráběny ze 70 % z teflonu, 25 % je z polyesteru, zbytek je biologický. Pouze 1 % malých průměrů je kryto syntetickými náhradami.

5.1.5 Konstrukce n·hrad velk˝ch a st¯ednÌch pr˘mÏr˘ Vysoký stupeň úspěšnosti je udáván pro pevné tkané, vrapované, nevyztužené polyesterové pro náhradu břišní aorty a pletené, hladké, vyztužené náhrady pro podkolenní a stehenní bypass. Výroba náhrad Cévní náhrady z polyesteru jsou vyráběny postupy, které zahrnují výrobu vláken a jejich zpracování do textilie za použití pletení a tkaní. Textilie vytvořené tkaním a netkanými postupy používají běžná průmyslová zařízení. Velkoprůměrové náhrady se vyrábějí jak v porézní, tak neporézní formě. Porozita (pórovitost) těchto textilií je ovlivněna počtem vláken, jejich průměrem a přítomností vrstvy kolagenu typu I nebo albuminu, který uzavírá póry mezi vlákny. Na mikroskopické úrovni pórovitost podporuje prorůstání tkáně, která implantát obklopuje a zajistí vzájemnou adhezi. Textilie s póry o velikosti 10–45 mm podporuje optimální růst tkáně a rychlé hojení. Propustnost kapalin je v případě cévních náhrad v ml.cm-2.min-1 a vyjadřuje se množstvím vody, které projde stěnou cévy při tlaku 120 mm Hg. Většina náhrad má propustnost okolo 2300– 2500 ml.cm-2, avšak u povrstvovaných náhrad je propustnost značně nižší, aniž by bylo negativně ovlivněno prorůstání tkáně. Určitá krevní ztráta je požadována pro podporu rychlého růstu tkáně. Další parametry, které mají velkou důležitost, jsou: bikompatibilita, krevní kompatibilita, pevnost cévy, životnost a manipulovatelnost. Všechny tyto parametry se odvíjejí od druhu použitých vláken, jejich geometrie a konečné úpravy cévy. Vlastnosti textilních cév odrážejí jedinečnost vláken použitých pro jejich výrobu. Vlastnosti přízí souvisejí s počtem vláken i stupněm zákrutu, stejně 116

2 dil kap 5_6.p65

116

23.7.2008, 13:45

jako s druhem použitého polymeru. Nekonečná vlákna se nazývají monofilamenty a jejich fyzikální vlastnosti jsou jiné než u přízí vyrobených ze stejného polymeru. Fyzikální vlastnosti textilie jsou dále ovlivněny stupněm zkadeření jednotlivých vláken, směrovým uspořádáním os přízí a jejich průměrem. Zkadeření se dociluje kombinací tepelného a mechanického působení. Kromě usnadnění zpracování to přináší i změnu průběhu tahové křivky – zvyšuje se tažnost. Příze mohou být zpracovány tkaním nebo pletením. Směr přízí je pak ve směru podélné osy náhrady, po jejím obvodě, nebo pod úhlem – to zajistí větší tažnost. Tkané struktury jsou soustavou navzájem kolmých nití, které procházejí pod a nad sebou, přičemž v místě kontaktu dochází ke tření, které roste s ohybovou tuhostí. Způsob provázání je dán vazbou. Schopnost textilie splývat nebo po přikrytí kopírovat povrch je dán průměrem nitě a její ohebností. Pletenina je tvořena očky, která jsou vzájemně propojena, a tvoří tak souvislou strukturu. Výsledkem je textilie, která je vysoce porézní, s menší tahovou pevností a vyšší tažností, než je tomu u tkanin. Během operace jsou porézní cévní náhrady předsráženy pacientovou vlastní krví ke snížení průsaku. Během předsrážení jsou použity proteiny jako albumin a fibrin do stěny cévní náhrady. Ty jsou nahrazeny spojující tkání.

5.1.6 St¯ednÌ a malÈ pr˘mÏry Na rozdíl od úspěchu dosaženého použitím pletených vrapovaných nevyztužených polyesterových náhrad pro břišní srdečnice a kyčelních tepen byla zjištěna nižší úspěšnost v případě použití pro bypassy (přemostění nefunkční části cévy) pro stehenní a lýtkové žíly. Pletené náhrady byly modifikovány pro snížení vzniku smyček přidáním vnější podpory. I přesto je většina náhrad (okolo 75 %) používaných pro dolní končetiny vyrobena z PTFE. Mikroporézní expandovaný PTFE je v současnosti nejúspěšnější náhradou pro cévy malých průměrů. Po vyvinutí různých modifikací expandovaného PTFE bylo zjištěno, že pro vně vyztužené náhrady je z hlediska manipulovatelnosti i klinické úspěšnosti nejvýhodnější pórovitost mezi 20–30 mm. Pro nadkolenní náhrady byly po dobu 30 měsíců stejně efektivní jako náhrady autologní. U podkolenních náhrad byla účinnost nižší.

5.1.7 N·hrady s endoteli·lnÌmi buÚkami Výzkumy a klinické studie vedly k závěru, že autologní povrchové žíly v dolní končetině jsou preferovány pro periferní žilní rekonstrukce. Avšak žíla je biologický produkt, lišící se jednotlivec od jednotlivce v délce a proměnlivé dostupnosti v důsledku poškození chorobami nebo předešlými chirurgickými zá117

2 dil kap 5_6.p65

117

23.7.2008, 13:45

sahy, což limituje její použití u pacientů. Náhrady malých průměrů, vyrobené ze syntetických materiálů, měly nižší úspěšnost nejen z důvodu krevní snášenlivosti, ale také kvůli technickým problémům během zavádění do žíly s malým průtokem. Několik výzkumných skupin popsalo zlepšení náhrad malého průměru použitím osázení autologních endoteliálních buněk na polyesterové a teflonové náhrady. Teflonové náhrady s pórovitostí mezi 28–52 mm s autologními buňkami vykazovaly větší průtok než bez buněk. Studie dále ukázaly, že použití buněk u teflonových náhrad zlepšuje průchodnost a velikost plochy bez trombóz při pórovitosti 40 mm, avšak ani tato zlepšení nebyla dostatečná při sníženém průtoku. Jiný přístup konstruování náhrad zahrnuje použití rozličných polyuretanů zvlákňovaných na rotující podklad. Klinické zkoušky a zkoušky na zvířatech nebyly úspěšné a poslední informace uvádějí, že zbytnění polyuretanu je způsobeno jeho vysokou elasticitou.

5.1.8 PolyesterovÈ n·hrady Zavedení polyesterových náhrad je přičítáno DeBakeymu a jeho spolupracovníkům. Tyto náhrady jsou vyráběny jedním ze dvou způsobů. Multifilamentní vlákna jsou pletena nebo tkána. Tkané náhrady jsou vyráběny v jednoduché vazbě. To vede k omezeně porézní struktuře, která vede k nutnosti předsrážení náhrady v pacientově neheparizované krvi před implantací. Bohužel tyto náhrady mají malou tažnost a ohebnost, proto je chirurgové shledávají jako obtížně použitelné. Pletené náhrady jsou pružnější ve všech směrech a poskytují větší rozsah porozity. Velurové pleteniny jsou variantou s jemným povrchem z přidaných smyček jdoucími kolmo k povrchu pleteniny. Velurová úprava může být umístěna na vnitřním i vnějším povrchu, případně na obou površích. Tkané náhrady se řadí mezi mikroporézní, pletené a některé tkané mezi makroporézní. Je důležité, aby náhrady byly alespoň mírně porézní pro propojení vnější stěny a organizaci luminálního povrchu. Porozita je závislá na velikosti pórů náhrady a může být vyjádřena číselně nebo jako množství vody procházející skrz jeden centimetr náhrady za jednotku času při standardním tlaku. Nejžádanější způsoby výroby jsou takové, které kombinují vysokou porozitu s dobrou manipulovatelností. Ačkoliv ideální porozita je uváděna jako 10 000 ml.min-1, praktická horní hranice porozity je méně než 4000 ml.min-1. Většina klinicky používaných náhrad se pohybuje v rozmezí 1200–1900 ml.min-1. Vysoká porozita znamená vyšší riziko krvácení. Snahy vytvořit vysoce porézní náhrady s výplní z biodegradabilních materiálů, které budou postupně nahrazeny fibroblasty, se zatím nesetkala s úspěchem. Velké póry byly shledány jako pevnost omezující a vedoucí k riziku vzniku výdutí. Relativně nová je metoda povrstvování 118

2 dil kap 5_6.p65

118

23.7.2008, 13:45

pletených cév kolagenem. Tyto náhrady mají manipulovatelnost nerozeznatelnou od neimpregnovaných cév. Předsrážení pletené náhrady v krvi pacienta před implantací není nutné. Obdobně povrstvené pletené cévy albuminem vyžadovaly rehydrataci před implantací a byly poněkud tužší než neimpregnované. Výroba polyesterových náhrad Polyesterové náhrady jsou vyráběny pletením. Používají se pletací stroje běžného typu, pouze uzpůsobené pro pletení v čistých prostorech. Příprava osnovy zahrnuje navinutí polyesterového hedvábí na cívky a nanesení preparace, která zajišťuje menší tření, a tím i hladší průchod přes vodící elementy stroje a menší poškození hedvábí. Osnova se po navedení do pletacího stroje plete požadovanou vazbou do uzavřené trubice kruhového průřezu. Nejčastěji je pletena jako oboulícní pletenina nebo trikot (viz obr. 5.2).

Obr. 5.2: OboulÌcnÌ pletenina a trikot ñ vazby pouûÌvanÈ pro pletenÌ cÈvnÌch n·hrad Po upletení je nutné provést odstranění nejen preparace, ale také strojního oleje, kterým jsou pohyblivé části stroje mazány. Ty se odstraní praním pomocí vhodných pracích prostředků. Poté je možno nanášet povrchovou úpravu, například kolagen, a provést sterilizaci. Výroba cévních náhrad na bázi teflonu První krok zahrnuje výrobu PTFE pasty. PTFE hmota je mísena s kapalinou na bázi alkoholu, jež způsobí snížení viskozity hmoty a vznikne PTFE pasta. Druhý krok převede pastu do tuhého bloku prostřednictvím vysokého tlaku. Aby byly zajištěny rovnoměrné strukturní vlastnosti budoucího produktu, je nutné 119

2 dil kap 5_6.p65

119

23.7.2008, 13:45

vyrobit takový blok, jenž bude homogenní. K tomu je třeba zajistit rovnoměrné a souvislé působení tlakové síly. Stlačování je proto řízené a plně elektronicky kontrolované. Třetím krokem je extruze neboli vytlačování. Extruzní zařízení je podobné tomu, které se používá pro výrobu syntetických vláken. Rozdíl je v průměru použité trysky, která je v tomto případě podstatně větší, řádově jednotky až desítky milimetrů. Tryska má průměr a tvar hotového výrobku, tloušťku stěny určuje vložené jádro. Dalším rozdílem je, že v případě vytlačování PTFE se nepoužívá zvýšená teplota, tedy ohřev hmoty na teplotu tání nebo měknutí. Vytlačovaná pasta je formována do dlouhé, tenkostěnné trubice. Během vytlačování dochází díky působení kompresních a smykových sil k formování řetězců polymeru do uspořádané, podélně orientované struktury, což zvýší podíl krystalického uspořádání polymeru, a výrobku tak zajistí lepší mechanické, chemické a tepelné vlastnosti. Další fáze výroby zahrnuje odstranění alkoholu použitého pro tvorbu pasty, který je ve výrobku stále přítomen. Nejprve se trubice zkrátí na požadovanou délku, poté se vloží do pece, kde se ohřeje na poměrně nízkou teplotu. Vysoké teploty nejsou nutné kvůli obecně nízkým teplotám varu alkoholu, který se pro přípravu pasty používá. V této fázi má již trubice rozměry hotového výrobku. Některé operace jsou ukázány na obr. 5.3. Následuje proces protahování, kterým se z teflonu získá teflon expandovaný. Trubice se vloží do pece a podrobí se působení teploty, jež způsobí změknutí teflonu. Poté se trubice začnou protahovat v podélném směru na předem stanovenou délku (stupeň dloužení). Mechanické namáhání za zvýšené teploty způsobí tzv. fibrilaci – souvislá hmota se začne měnit na vlákennou strukturu (viz obr. 5.4). Stupeň dloužení přímo ovlivní vzdálenost kontaktů vláken, a tím i velikost pórů. Po protahování a expandování teflonu následuje operace, která se nazývá slinutí (tzv. sintrování). Tento krok je z hlediska celého výrobního procesu nejdůležitější a má rozhodující vliv na výsledné vlastnosti budoucího produktu,

Obr. 5.3: VytlaËovanÌ PTFE trubice, expandov·nÌ a sintrov·nÌ 120

2 dil kap 5_6.p65

120

23.7.2008, 13:45

protože významně ovlivní pevnost teflonu. Trubice, která je nyní z expandovaného teflonu, se vloží do sintrovací pece, kde se podrobí účinku vysoké teploty. Ta způsobí spojování molekul do větších celků. Teploty v sintrovací peci se pohybují okolo 380 °C. Její hodnota by měla být dodržena bez větších odchylek, aby se zabránilo vzniku nehomogenit produktu. Po ochlazení sintrovaných trubic se provede potištění výrobku vodící značkou. Ta slouží operatéru pro správné umístění a našití na tepnu, žílu. Důvodem je zabránit případnému vnesení krutu do trubice, který by se přenášel na tepny, žíly, případně by zplošťoval samotnou náhradu. Dále, je-li to vyžadováno, se může přidat vyztužení ve formě spirály. Tato spirála může být vedena po celé délce trubice, nebo vyztuží konce, případně je umístěna pouze uprostřed. Na trubici, resp. na její vnější povrch, se dále nanese vrstva želatiny. Posledním krokem výroby umělé cévy je krácení trubic na potřebnou délku, balení a sterilizace etylen oxidem.

Obr. 5.4: Struktura expandovanÈho teflonu

5.1.9 ⁄pravy cÈvnÌch n·hrad Tvorba vrapování Pletené textilie se vyznačují vysokou tažností, která může být při ohybovém namáhání překážkou, protože způsobí zmenšení průměru, resp. zploštění až uzavření průřezu (viz obr. 5.5), které by znamenalo selhání náhrady. Aby k tomu nedocházelo, provádí se úprava, která vytvoří vlnitý povrch. Průřez náhrady přechází plynule mezi dvěma průměry. Tato úprava využívá možnosti tvarovat syntetická vlákna pomocí zvýšené teploty, která zajistí možnost tvarování. 121

2 dil kap 5_6.p65

121

23.7.2008, 13:45

Obr. 5.5: NaznaËenÌ deformace p¯i ohybu cÈvnÌ n·hrady. Prost¯ednÌ obr·zek ukazuje neû·doucÌ zploötÏnÌ. Používá se tzv. teplota měknutí. Vláknům, popřípadě vlákenné struktuře, se dodá nový tvar, který se fixuje až do doby, kdy dojde ke snížení teploty pod hranici měknutí. Poté je již tvar trvale zafixován. V praxi je postup následující: náhrada se navlékne na vyhřívaný trn (s teplotou vyšší, než je teplota měknutí), který má o něco menší průměr než náhrada. Ta se poté ovine vhodným lineárním útvarem, zpravidla vlascem, který do cévy vtlačí drážky (viz obr. 5.6).

Obr. 5.6: Formov·nÌ povrchu textilie ovÌjenÌm vlasce Po ochlazení dojde k zafixování nového, vlnitého tvaru a vlasec se odejme. Nanášení želatiny/kolagenu Želatina se nanáší jednak pro snížení porozity, a jednak pro rychlejší prorůstání buňkami. Získává se z kolagenu některých savců. Na rozdíl od jiných produktů je hydrolyzována během 14 dnů neenzymatickou cestou a díky tomu nevyvolává dlouhodobější zánětlivé reakce. Tento degradační profil umožňuje snazší průnik tkáně do struktury náhrady. Do želatiny je dále možno zavádět antibiotika, která snižují riziko vzniku pooperační infekce náhrady a jejího následného selhání. Povrstvení stříbrem Stříbro má výborné antibakteriální účinky, což věděli už staří Římané a Řekové, kteří používali stříbrné nádobí a studny chránili proti bakteriím vhazováním 122

2 dil kap 5_6.p65

122

23.7.2008, 13:45

stříbrných předmětů. Je známo, že stříbro ve formě kladných iontů je schopno napadat buněčnou stěnu mikroorganismu a poté nukleové kyseliny. To vede k potlačení množení, popř. usmrcení organismu. Velmi důležitá je skutečnost, že jinak agresivní kladné ionty stříbra nejsou škodlivé pro lidské buňky, a proto je jich možno s výhodou použít jako vhodnou antimikrobiální úpravu nejen cévních náhrad. Pro účinnou baktericidní funkci přitom stačí stopové množství stříbra. Úprava cévních náhrad se provádí povrstvením povrchu vláken vhodnou solí stříbra. Počet výskytu infekce při použití stříbra pro cévy se výrazně snížil. Cévy s heparinem V roce 1991 byl vyvinut koncept přidávání nefrakcionovaného heparinu o vysoké molekulové hmotnosti do vnitřní stěny náhrady pomocí pevných vazeb. Cílem bylo snížit trombogenicitu a zároveň zlepšit funkčnost náhrady a klinické výsledky. Heparin je s povrchem cévy spojen prostřednictvím tridodecylammonia chloridu (TDMAC), který s heparinem tvoří nerozpustný komplex a postupně se váže s vysokou afinitou k povrchu polyesteru na jeho dlouhé hydrofobní konce. Po zavedení heparinu je náhrada povrstvena kolagenem, který slouží jako zábrana proti rychlému uvolnění heparinu z povrchu polyesteru. Použití heparinu zvyšuje propustnost, zamezuje krvácení z otvorů po šití a je výborně přijímána pacientem. Nanášení fluoropolymeru Tato úprava spočívá v úplném povrstvení jednotlivých vláken, přičemž porozita je zachována. Proces zajišťuje, že molekuly fluoropolymeru pojící se s polyesterem tvoří spojovací síť na rozhraní obou polymerů. Vrstva je velmi tenká (méně než 10 nm – tloušťka, resp. přítomnost nánosu se určuje pomocí SIMS – Secondary ion mass spektrometry, analýza iontů, které jsou odraženy po dopadu primárních iontů na vzorek). Výsledkem fluoropasivace je makroporézní náhrada s fluoropolymerem na povrchu. Studie a experimenty prováděné in vitro, in vivo a ex vivo studie na krevních destičkách potvrdily, že nános fluoropolymeru poskytuje významné snížení trombogenicity ve srovnání s polyesterem a PTFE. Cévy s výztuhou Některé druhy cév, u kterých hrozí riziko snížení průtoku krve vlivem zploštění při průhybu nebo stlačením okolních tkání, je vhodné vyztužit vnější výztuhou. Cílem je tedy zvýšit odolnost vůči kompresnímu (tlakovému) namáhání. Výztuha je ve formě spirály, která je vinutá po vnějším povrchu náhrady. 123

2 dil kap 5_6.p65

123

23.7.2008, 13:45

5.1.10 P¯ÌËiny selh·nÌ cÈvnÌch n·hrad Selhání náhrad zahrnuje různé druhy porušení funkce od infekce až po prasknutí stěny náhrady. Jednou z příčin je dilatace – trvalé rozšíření náhrady v důsledku dynamického namáhání tlakem pulzující krve. Jedná se o mechanické selhání, kdy dojde k oslabení stěny vlivem změny struktury a jejímu vydutí. Všechny běžné náhrady z osnovní pleteniny vykazují určitý stupeň rozšíření vlivem působícího tlaku a přeorientaci struktury po implantaci. Dochází k němu okolo 35. měsíce po transplantaci. Dalším selháním je poškození náhrady v místě švu. Šev je koncentrátorem napětí a oslabuje stěnu cévy. V případě nevhodného spojení může dojít k protržení švu. Dochází k němu nejčastěji mezi 30. až 50. měsícem po implantaci. Jinou příčinou jsou strukturní defekty – otvory, perforace, trhliny, prořezy. Jedná se o méně časté příčiny, ale mohou způsobit selhání náhrady. Dochází k nim mezi 40. až 60. měsícem po implantaci. Defekty se mohou vyskytnout již při výrobě nebo manipulaci a je velmi obtížné je před implantací detekovat. Krvácení a infekce patří také mezi zřídka se vyskytující selhání během prvních deseti měsíců. Dochází k němu v místech švů nebo póry ve stěně.

5.2 JinÈ implantovatelnÈ textilie Kromě cévních implantátů se vzhledem k výhodné struktuře textilních materiálů vyrábějí i jiné pomůcky, které lze implantovat. Jedním z příkladů může zpevňovací plsť. Vyrábí se vpichováním ze 100% polyesteru režné barvy. Vyrábí se v různých provedeních lišících se tloušťkou a rozměry. Používá se pro kardiovaskulární chirurgii a také tam, kde je nutné zajistit podložení stehů, aby nedošlo k prořezání tkáně a pro krytí septálních a jiných defektů a jako podložka pro šití levé srdeční komory po resekci výdutě. Lze se s ní setkat pod obchodním názvem CORTEX.

5.2.1 Gastrick· band·û Gastrická bandáž (viz obr. 5.7) je výrobek, který se aplikuje za účelem snížení objemu žaludku u lidí trpících obezitou. Umísťuje se laparoskopicky ovinutím okolo žaludku. Vyrábí se z polyesterového hedvábí. Bandáž je buď s otvorem pro provlečení druhého konce pásky, nebo bez otvoru. Konce pásky se připevňují ke stěně žaludku.

124

2 dil kap 5_6.p65

124

23.7.2008, 13:45

Obr. 5.7: Uk·zka gastrickÈ band·ûe

5.2.2 SÌùka pro chirurgickÈ ˙Ëely Síťka (viz obr. 5.8). je vyrobena z osnovní pleteniny ve filetové vazbě z polyesterového hedvábí. Aplikuje se při defektech břišní stěny, například tříselné kýly. Jiné použití je pro zavěšení a vyztužení orgánů.

Obr. 5.8: Uk·zka chirurgickÈ sÌùky

5.2.3 CÈvnÌ z·platy Dalším textilním materiálem jsou cévní záplaty (viz obr. 5.9). Používají se pro rekonstrukci poškozených cév, pro rozsáhlejší angioplastiku apod. Vyrábějí se z PES hedvábí, pokrytého kolagenem.

125

2 dil kap 5_6.p65

125

23.7.2008, 13:45

Obr. 5.9: Uk·zka cÈvnÌ z·platy Materiály, které nejsou vyráběny textilním postupem, ale mají vláknitý charakter, jsou, jak bylo uvedeno dříve, expandované teflony. Lze je použít např. na: • Krytí míšních plen Pěnový PTFE má mikroporézní strukturu, umožňuje vrůst paraspinové svalové tkáně, hladká struktura zabraňuje přichycení měkké tkáně (viz obr. 5.10). • Náhrada mozkových plen Materiál jako v předchozím, tloušťka 0,3 mm, porozita 1 mikron, 20 x 100 – 100 x 120, (viz obr. 5.11). • Opravy kostí a ozubice (tkáň mezi zubem a kostí). Je částečně biodegradabilní, po dobu 8 až 10 týdnů si zachovává své vlastnosti, je vyrobena z kopolymeru PGA/TMC –polyglycolové kyseliny a trimethylen karbonátu (viz obr. 5.12)

Obr. 5.10: KrytÌ mÌönÌch plen 126

2 dil kap 5_6.p65

126

23.7.2008, 13:45

Obr. 5.11: N·hrada mozkov˝ch plen

Obr. 5.12: Produkt GORE RESOLUTÆ ADAPTÆ • Tento produkt má stejné použití, ale je vyztužen podporami z titanu, vloženými mezi dvě vrstvy expandovaného teflonu (viz obr. 5.13).

Obr. 5.13: Produkt GORE-TEXÆ Regenerative Membranes Titanium Reinforced 127

2 dil kap 5_6.p65

127

23.7.2008, 13:45

• Tento produkt se skládá ze tří vrstev, a to ze dvou náhodně orientovaných vlákenných vrstev obklopujících nepropustný film. Síť vytlačená do povrchu zvyšuje ohebnost a manipulovatelnost. Vyrábí se z polyglykolové a polylaktidové kyseliny trimethylen karbonátu (viz obr. 5.14).

Obr. 5.14: Produkt GORE RESOLUT XTÆ Regenerative Membrane

5.3 DoporuËen· literatura http://www.vascutek.com http://www.egotex.com http://www.datascope.com/iv/pdf/designanddevelopmentofanheparinbonded.pdf http://www.gore.com http://www.vup.cz http://www.metea.com Hireny Mankodi, Application of textile materiale in cardiovascular implants, http://www.fibre2fashion.com http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=116749&blobtype=pdf http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=116749

128

2 dil kap 5_6.p65

128

23.7.2008, 13:45

6. Scaffoldy pro tk·ÚovÈ inûen˝rstvÌ chrupavky Eva Koöù·kov·

6.1 ⁄vod Tkáňové inženýrství je jedinečným multidisciplinárním oborem, kde se potkávají lékaři, zvěrolékaři, biochemici, biologové, textilní a strojní inženýři, fyzici atd. Každá jednotlivá etapa výroby a testování tkáňových náhrad má v celém tomto procesu nezastupitelnou roli. Tato kapitola je zaměřena na představení možností výroby náhrad kolenní chrupavky, které jsou určeny k léčbě velmi rozšířeného onemocnění nejen mezi staršími pacienty ale i mezi mladými lidmi po úrazech – osteoartrózy. Osteoartróza se ovšem objevuje nejen v kolenních kloubech, ale postihuje obecně kloubní chrupavčitou tkáň, a to i v kloubech kyčelních a kloubech rukou. Následující text je věnován nejen představení chrupavky jako tkáně v lidském těle, ale hlavně možnostem výroby tkáňových náhrad pro léčbu degenerativních onemocnění chrupavky se zaměřením na uplatnění tradičních i moderních textilních technologií v oblasti tkáňového inženýrství chrupavčité tkáně.

6.2 Chrupavka Chrupavky jsou velmi důležitou částí lidského těla a zároveň jsou z hlediska tkáňového inženýrství relativně jednoduchou tkání, protože neobsahují cévy ani nervy. Skládají se z buněk – chondrocytů (chondroblastů), kolagenních vláken a mezibuněčné hmoty. Mezibuněčná amorfní hmota (extracelulární matrice) je proteoglykanový komplex a kolagenová vlákna jsou jí zcela zalita. Mezibuněčná hmota je místem, kde se realizuje látková výměna. Uplatňuje se také jako ochrana pro buňky-chondrocyty před vlivy okolního prostředí organismu a podmiňuje základní fyziologické a biomechanické vlastnosti chrupavek, například vazbu vody. Biomechanická charakteristika chrupavčité tkáně je velice obtížná. Velmi zjednodušeně lze říci, že chrupavka se chová jako porézní materiál, například jako „houba“ nasáklá vodou. Podobně jako v houbě je v základní hmotě chrupavky voda vázána jen velmi volně. Při zatížení chrupavky dochází v první fázi k poměrně rychlému vytlačení vody a ke změně tvaru chrupavky. V následující 129

2 dil kap 5_6.p65

129

23.7.2008, 13:45

fázi se chrupavka chová více rigidně (tuze, tvrdě), začínají se namáhat vláknité části chrupavky a tvar chrupavky se již téměř nemění. Z hlediska chemického složení je chrupavka tvořena vodou a bílkovinami. Bílkoviny jsou pak zastoupeny kolagenem a proteoglykany. Chrupavky se vyskytují v ušních boltcích a hrtanových příklopkách (elastická chrupavka), ale i v meziobratlových ploténkách (vazivová chrupavka), a jak již bylo uvedeno výše, také v kloubech (hyalinní chrupavka). Kloubní – hyalinní chrupavka, která je předmětem zájmu tkáňového inženýrství popisovaného v této kapitole, pokrývá hlavice kostí v kloubech a vlastně umožňuje člověku pohyb. Je nejrozšířenějším typem chrupavky v těle. Jedná se o tvrdou, hladkou a křehkou tkáň. Chondrocyty hyalinní chrupavky produkují kromě amorfní hmoty i velmi jemná kolagenní vlákna (cca 1 µm v průměru). Vlákna se na celkovém objemu hmoty podílejí cca 50 %. Tato vlákna jsou tvořena kolagenem typu II. Femur (stehennÌ kost) Patella (ËÈöka) KloubnÌ chrupavka Vnit¯nÌ meniskus Vaz VnÏjöÌ meniskus Tibia (holennÌ kost) Fibula (l˝tkov· kost)

Obr. 6.1: Anatomie kolennÌho kloubu

6.3 Proces tk·ÚovÈho inûen˝rstvÌ Před vlastním vysvětlením principu tkáňového inženýrství je nutné vysvětlit tři základní pojmy: in vitro – z latiny ve skle, v laboratoři, mimo tělo, mimo žijící organismus; in vivo – z latiny v životě, v živém organismu, v těle; scaffold – z angličtiny lešení, konstrukce, skelet. Slovo scaffold vyjadřuje v tkáňovém inženýrství tzv. podpůrnou konstrukci pro růst buněk a celých tkání. Konkrétním požadavkům na scaffold pro kolenní chrupavkové náhrady je věnován text v následujícím odstavci 6.4. 130

2 dil kap 5_6.p65

130

23.7.2008, 13:45

Celý proces tkáňového inženýrství se při obvyklém postupu skládá z několika částí. Schéma celého tohoto děje je na obr. 6.2. Nejprve je nutné odebrat z těla pacienta (nebo pokusného zvířete) štěp autologních chondrocytů. Dále dochází ke kultivaci buněk in vitro, k podpoře jejich diferenciace a k růstu například pomocí růstových faktorů. Současně je nutné vyrobit scaffold požadovaných vlastností. Po dosažení požadovaného množství buněk je nutné tyto buňky nanést na scaffold, sledovat adhezi buněk ke scaffoldu a zajistit jejich proliferaci celým objemem scaffoldu. Po určitém čase kultivace buněk ve scaffoldu je možné implantovat takto připravený materiál přímo na postižené místo, tedy zpět do kolena pacienta (či testovaného zvířecího modelu). Chondrocyty vpravené do těla na podpůrné konstrukci vytvářejí vlastní kolagenní vlákna, a tedy i celou novou chrupavku. V určitém čase po implantaci je nutná úplná degradace scaffoldu – podpůrného materiálu –, která musí odpovídat době potřebné pro vytvoření nové přirozené chrupavčité tkáně.

AutolognÌ chondrocyty

BiodegradabilnÌ scaffold In vitro testov·nÌ

In vivo implantace

NasazenÌ bunÏk na scaffold a jejich proliferace scaffoldem

Obr. 6.2: Princip procesu tk·ÚovÈho inûen˝rstvÌ. AutolognÌ chondrocyty jsou po odbÏru kultivov·ny in vitro. SouËasnÏ je p¯ipraven porÈznÌ scaffold, na nÏjû jsou poslÈze chondrocyty nasazeny. MusÌ dojÌt k†proliferaci bunÏk cel˝m objemem scaffoldu a z·roveÚ k†jejich dokonalÈ adhezi k nÏmu. Po urËitÈ dobÏ kultivace chondrocyt˘ ve scaffoldu pak doch·zÌ k†hodnocenÌ in vitro chov·nÌ scaffoldu s†buÚkami nebo n·sleduje jeho implantace do ûivÈho organismu, a tedy k†testov·nÌ in vivo. 131

2 dil kap 5_6.p65

131

23.7.2008, 13:45

6.4 Poûadavky kladenÈ na scaffold pro kolennÌ chrupavkovÈ n·hrady Všechny části procesu „přípravy“ nové chrupavky jsou velmi důležité, tedy i výroba scaffoldu. Výroba tohoto „lešení“ pro buňky je již několik let výzvou pro chemiky, fyziky, polymerní, strojní, ale i textilní inženýry. Scaffold musí mít vhodné vlastnosti a musí splňovat požadavky, které jsou na něj kladeny při porovnání s přírodní chrupavkou. Základními podmínkami jsou biokompatibilita, biodegradabilita – biologická vstřebatelnost, dostatečná rychlost degradace, kontrolovatelné povrchové vlastnosti, jak fyzikální, tak chemické. Pro kolenní chrupavkové náhrady je také nezbytná trojrozměrná struktura s dostatečně velkými a propojenými póry (Pamula 2002). Dále by měl scaffold ulehčovat migraci, adhezi a proliferaci buněk (v tomto konkrétním případě chondrocytů), měl by být netoxický, nesmí vyvolávat záněty a samozřejmě musí být dostatečně mechanicky odolný a lehce sterilizovatelný (Tuli 2003, Mikos 2000). V následující tabulce jsou shrnuty základní funkce a vlastnosti optimálního scaffoldu.

FUNKCE SCAFFOLDU

VLASTNOSTI SCAFFOLDU

1

Nevyvol·val z·nÏtlivÈ reakce nebo toxickÈ reakce Ñin vivoì.

MusÌ b˝t biokompatibilnÌ, netoxick˝ a nekarcinogennÌ.

2

Napom·hat v r˘stu 3-D tk·nÏ.

Specifick˝ tvar 3-D scaffoldu.

3

RovnomÏrnÈ velk· hustota naoËkovan˝ch bunÏk.

Vysok· pÛrovitost a propojenÌ mezi pÛry.

4

Poskytnut vhodn˝ povrch pro adhezi a rozprost¯enÌ bunÏk.

Optim·lnÌ chemickÈ a povrchovÈ vlastnosti pouûitÈho polymeru. Velk˝ specifick˝ povrch.

5

Podpo¯it proliferaci a migraci bunÏk v cel˝m scaffoldem.

Optim·lnÌ velikost pÛr˘ umoûÚuje buÚk·m pohyb a komunikaci. DynamickÈ nasazenÌ bunÏk.

6

P¯Ìm· orientace bunÏk.

Regulovateln· orientace vl·ken uvnit¯ scaffoldu; chemick· ˙prava povrchu.

7

UmoûÚuje p¯esunu ûivin a odpadnÌch l·tek v scaffoldu.

Vysok· porozita a propojenÌ mezi pÛry; kromÏ toho elasticita materi·lu.

132

2 dil kap 5_6.p65

132

23.7.2008, 13:45

8

Biologick· vst¯ebatelnost scaffoldu.

Rychlost degradace se rovn· rychlosti formov·nÌ tk·nÏ. Produkty degradace polymeru nesmÌ b˝t toxickÈ ani podporovat z·nÏt Ñin-vivoì.

9

Zachovat si tvar Ñin-vivoì s dostateËnou mechanickou pevnostÌ.

Scaffold m· podobnÈ mechanickÈ vlastnosti jako rozvÌjejÌcÌ se tk·Ú.

Tab. 6.1: P¯ehled funkcÌ a vlastnostÌ ide·lnÌho scaffoldu pro tk·ÚovÈ inûen˝rstvÌ. P¯evzato z (Edwards 2003).

6.5 V˝roba scaffold˘ pro kolennÌ chrupavkovÈ n·hrady Výrobu scaffoldů je možné rozdělit podle technologie výroby do několika skupin. Tato publikace se s ohledem na její zaměření drží dělení na (i) netextilní výroby scaffoldů a (ii) textilní výroby scaffoldů. Pro oba tyto přístupy existuje v odborné literatuře nepřeberné množství publikací, například: Shi 2006, Lanza 2000, Wnek 2004, Freed 1997. V následujících odstavcích jsou stručně představeny ty nejčastěji popisované.

6.5.1 NetextilnÌ zp˘soby v˝roby scaffold˘ Mezi netextilními technologiemi nelze definovat nejčastěji užívaný nebo optimální způsob výroby kolenní chrupavky. Každá z prezentovaných technologií má své výhody a nevýhody. V následujícím odstavci jsou představeny velmi často citované postupy, a to: technologie vymývání částic (particle leaching, salt leaching), technologie solvent casting, technologie sušení za mrazu (freeze drying, lyofilizace), technologie zpěňování, rapid prototyping, gas foaming, separace fází a výroba hydrogelů. Vymývání částic Technika vymývání částic (particle leaching, salt leaching) je velmi populárním postupem používaným v tkáňovém inženýrství pro výrobu scaffoldů. Póry jsou tvarovány na základně částic tzv. porogenu, což mohou být částice solí, vosků nebo dokonce cukru. Vhodný polymer je rozpuštěn v rozpouštědle. Porogeny požadovaných vlastností, tvarů a rozměrů jsou umístěny do formy s přesně definovaným uspořádáním. Následně je do této formy naplněné porogenem nalit roztok polymeru. Dále dochází k odpaření rozpouštědla a vytvoře133

2 dil kap 5_6.p65

133

23.7.2008, 13:45

ní tuhého materiálu složeného z polymeru a částic porogenu. Finálním krokem je rozpuštění a vymytí porogenu s použitím vhodného rozpouštědla. Například voda je používána pro rozpouštění solí a cukrů užívaných jako porogen. Podle množství porogenu, jeho velikosti a tvaru je možné řídit vnitřní strukturu scaffoldů. V závislosti na typu použitého porogenu lze vytvořit strukturu s nepravidelnými póry, s póry ve tvaru koulí nebo s póry vlákenného charakteru. Příklady struktur scaffoldů vytvořených pomocí této technologie jsou na obr. 6.3 a 6.4.

Obr. 6.3: Scaffold z†polymeru D,L-mlÈËnÈ kyseliny (PDLLA) p¯ipraven˝ technologiÌ vym˝v·nÌ Ë·stic z†roztoku polymeru v†chloroformu a s†p¯Ìdavkem Ë·stic soli (NaCl). MϯÌtko 1†mm. P¯evzato z (Berger 2002).

Obr. 6.4: Scaffold z†polymeru L-mlÈËnÈ kyseliny (PLLA) p¯ipraven˝ technologiÌ vym˝v·nÌ Ë·stic z†roztoku polymeru v†chloroformu a s†p¯Ìdavkem Ë·stic soli (NaCl). MϯÌtko 500†µm. P¯evzato z (Lu 2002). 134

2 dil kap 5_6.p65

134

23.7.2008, 13:45

Tato technika má svou modifikaci nazývanou formování taveniny (melt molding), kde je termoplastický polymerní prášek zamíchán s vhodným porogenem. Tato směs je umístěna například do teflonové formy a zahřáta nad teplotu skelného přechodu polymerního materiálu. Po zahřátí je kompozitní struktura vystavena vlivu rozpouštědla porogenu. Vymytím porogenu dojde k vytvoření hotového porézního materiálu. Metoda formování taveniny se snaží eliminovat toxická rozpouštědla či toxické porogeny, které mohou stopově ve scaffoldu zůstat i po vymytí, a proto využívá jako porogen například želatinu (Wnek 2004). Solvent casting Tato technologie je založena na vypařování rozpouštědel z roztoků polymerních materiálů. Existují zde dva přístupy. Jeden je založen na ponoření formy do polymerního roztoku a poskytnutí dostatečného času k odpaření rozpouštědla. To vede k formování vrstvy polymerní membrány. Druhý způsob spočívá v umístění polymerního roztoku do formy a v poskytnutí dostatečného času k odpaření rozpouštědla. Posléze je na povrchu formy vytvořena výsledná porézní membrána (viz obr. 6.5). Tato technika je velmi jednoduchá, relativně levná a nevyžaduje speciální nástroje a zařízení, navíc nemá významný vliv na degradační chování výsledných scaffoldů. Nicméně jsou zde využívána vysoce toxická rozpouštědla, kte-

Obr. 6.5: Scaffold p¯ipraven˝ z polykaprolaktonu technologiÌ solvent cating z†roztoku polymeru v†acetonu 135

2 dil kap 5_6.p65

135

23.7.2008, 13:45

rá mohou denaturovat proteiny, další molekuly a buňky, neboť je tu možnost zůstatku stopových množství rozpouštědel uvnitř vytvořeného scaffoldu. To však může být překonáno pomocí kvalitního sušení za využití vakua pro dokonalé odstranění jakéhokoliv zůstatkového rozpouštědla z takto vytvořeného scaffoldu. Ovšem procesy odstraňování rozpouštědla jsou časově velmi náročné. Další možností, jak se vyhnout negativními vlivu zbytkových rozpouštědel, je kombinace s jinými technologiemi. Například je možné kombinovat technologie solvent casting s technologií vymývání částic popisovanou výše. Stále je zde možnost vytvoření jen omezeně silných scaffoldů. Tato metoda je vhodná pro vytváření zejména velmi tenkých porézních materiálů. Technikou doplňkovou k předchozím metodám solvent casting a vymývání částic je technika nazývaná laminace membrán (membrane lamination). Tato technologie kombinuje obě výše zmíněné metody k výrobě membrán (většinou z polymeru kyseliny L-mléčné – PLLA nebo z kopolymeru kyseliny mléčné a glykolové – PGLA), které jsou následně laminovány ve vrstvách pro docílení dostatečně silného scaffoldu – tedy skutečně trojrozměrného scaffodlu o dostatečné porozitě (Mikos 1993, Wnek 2004). Jednotlivé membrány mohou být ještě před laminováním řezány do speciálních tvarů a pak pojeny dohromady (pro PLLA či PGLA například „naleptáním“ pomocí chloroformu, rozpouštědla pro dané polymery) do tvaru trojrozměrného objektu (viz obr. 6.6). Obr. 6.6: SchÈma vrstvenÌ tenk˝ch porÈznÌch materi·l˘ (membr·n) p¯i jejich laminov·nÌ ñ technologie membrane lamination

Sušení za mrazu – lyofilizace Mrazové sušení (freeze-drying) je metodou, kdy je odstraňováno rozpouštědlo díky jeho sublimaci. Mrazové sušení emulzí je založeno na nemísitelnosti dvou kapalin, například vody a oleje. Takováto dvojice kapalin musí tvořit ve vztahu k použitému polymeru pár rozpouštědlo-nerozpouštědlo, tedy jedna z kapalin polymer rozpouští a druhá nikoliv. Polymer je rozpuštěn v rozpouštědle, k roztoku je pak přidáno „nerozpouštědlo“ a celá směs je dokonale míchána až do vytvoření kvalitní emulze. Tato 136

2 dil kap 5_6.p65

136

23.7.2008, 13:45

emulze je následně nalita do formy a prudce zchlazena okolní velmi nízkou teplotou (cca -80 °C) nebo pomocí kapalného dusíku. Zmrazená směs potom podstupuje proces sušení za mrazu, aby došlo k odstranění jak rozpouštědla, tak „nerozpouštědla“. Výhody tohoto procesu spočívají v získání výsledných materiálů s vysokou porozitou (více než 90 %) a propojenými póry o velikosti 15–200 µm. To je nezbytné z hlediska dodávání živin, odvodu metabolitů, růstu buněk atd. Sušení za mrazu je velmi citlivé, co se opakovatelnosti výroby týče k zásahům obsluhy a vlivu použitých zařízení. Příklad materiálu vytvořeného pomocí sušení za mrazu (lyofilizace) je na obr. 6.7, kde je zobrazen takto vyrobený scaffold z hovězího kolagenu. Metoda sušení za mrazu může být kombinována také s jinými technologiemi pro získání lepších vlastností výsledného scaffoldu, zejména z hlediska dostatečné porozity (viz obr. 6.8).

Obr. 6.7: Scaffold z†kolagenu p¯ipraven˝ metodou suöenÌ za mrazu. P¯evzato z (Pieper 2002).

Obr. 6.8: Scaffold z†PCL/PLA materi·lu vyroben pomocÌ kombinace technologiÌ suöenÌ za mrazu a vym˝v·nÌ Ë·stic (v tomto p¯ÌpadÏ NaCl). P¯evzato z (Tienen 2001). 137

2 dil kap 5_6.p65

137

23.7.2008, 13:45

Zpěňování Zpěňování polymerních roztoků do formy tuhé pěny a její následné vysušení vede k vytvoření scaffoldu s propojenými póry dostatečných velikostí. Velikost pórů jednoznačně závisí na koncentraci polymeru ve zpěňovaném roztoku. Čím je koncentrace polymeru ve zpěňovaném roztoku vyšší, tím je výsledná velikost pórů menší (Lanza 2000). Zpěňování je většinou prováděno mechanickým způsobem. Nevýhodou tohoto procesu je, že polymerních roztoků „ochotných“ k vytváření stabilní pěny bez přídavků povrchově aktivních látek je omezené množství. Jedním takovým polymerem je například želatina. Vnitřní strukturu scaffoldů vyrobených pomocí mechanického zpěňování vodného roztoku želatiny je ukázána na obr. 6.9.

Obr. 6.9: ZesÌùovanÈ pÏny z vep¯ovÈ (nalevo) a hovÏzÌ (napravo) ûelatiny vyr·bÏnÈ jako scaffoldy pro kolennÌ chrupavkovÈ n·hrady

Rapid prototyping Rapid prototyping neboli rychlá výroba prototypů je technika vztahující se ke skupině technologií, které používají počítačem podporovaný design (CAD systémy) k vytvoření trojrozměrných objektů. Prototyp neboli model je navržen pomocí počítače, dále jsou data převedena to tiskárny pro trojrozměrný tisk, ta „tiskne“ navržený model. Toto je výhodné, pokud je navrhován a vytvářen tvarově komplikovaný objekt. Největší výhodou je značná úspora času a finanč138

2 dil kap 5_6.p65

138

23.7.2008, 13:45

ních prostředků potřebných ke komplexnímu vývoji nového typu scaffoldu. Snímky scaffoldů vyrobených pomocí této metody jsou uvedeny na obr. 6.10. V současné době existuje nejméně pět technik využívaných pro výrobu scaffoldů založených na technice rapid prototyping: a) Stereolitografie – počítačem řízený laserový paprsek je použit k vytvrzování kapalného polymeru a objekt je stavěn vrstvu po vrstvě. b) Selektivní laserové spékání – počítačem řízený laserový paprsek je použit k tavení práškových materiálů a splynutí prášku v pevný objekt, který je tvořen vrstvu po vrstvě. c) Modelování laminovaných objektů – počítačem řízený laserový paprsek je použit k vyřezávání tvaru vrstvy po vrstvě z polymerní fólie a tyto vrstvy jsou na sebe lepeny do formy 3D scaffoldu. d) Modelování ukládáním taveniny (fused deposition modeling – FDM) – polymer je vytlačován z trysky a veden k požadovanému místu díky řízení trysky počítačem. Každá vrstva je spojována s vrstvou předchozí, a to vždy před úplným ztuhnutím nanesené taveniny polymeru. e) Trojrozměrný tisk – pojivo je „tištěno“ skrz trysky na vrstvu prášku. Pojivem je prášek spojen v požadovaných místech a množství. Prášek je takto slepován vrstvu po vrstvě, dokud není vytvořen celý trojrozměrný objekt. Výhodou tohoto přístupu je možnost vytváření biologicko-syntetických hybridních scaffoldů. Je zde totiž možnost tisknout biologické látky, jako jsou suspenze buněk či biomolekuly přímo s pojivem, a tím je přímo vnášet do vytvářeného scaffoldu.

Obr. 6.10: Vlevo: PLGA scaffold vyroben˝ technologiÌ rapid prototyping. P¯evzato z (Hohlweg-Majert 2006). Vpravo: PCL scaffold vyroben˝ technologiÌ FDM. P¯evzato z†(Hutmacher 2000). 139

2 dil kap 5_6.p65

139

23.7.2008, 13:45

Zpěňování plynem Zpěňování plynem (Supercritical fluid-gassing nebo gas foaming) je metoda převzata pro výrobu scaffoldů tak, jak byla používána po desetiletí v obalové technice a farmaceutickém průmyslu. Je založena na skutečnosti, že polymery mohou být plastifikovány (měkčeny) pomocí vysokého tlaku okolního plynu (například dusíku či oxidu uhličitého). Viskozita polymeru klesá, když plyn difunduje dovnitř a „rozpouští se“ v polymeru. Tato metoda byla vyvinuta za účelem vyhnout se používání toxických rozpouštědel a pevných porogenů. Jako porogen je zde využit plyn. Nejprve je vytvořen vzorek z vhodného polymeru (například lisováním do vyhřívané formy). Následně je tento vzorek vložen na několik dní do komory, kde je vystaven účinku vysokého tlaku určitého plynu. Tlak v komoře je postupně snižován až na atmosférickou hodnotu. V průběhu této procedury jsou formovány póry a výsledná struktura je dostatečně porézní (viz obr. 6.11). Největší výhodou této techniky je, že polymer může být zpracován za normálních teplot, což dovoluje inkorporaci léčiv citlivých na vyšší teploty a biologická činidla. Další výhodou je vysoká výsledná porozita, a to až 90%, s póry o velikosti 50–400 µm. Je možné použít například PLGA jako polymer vhodný pro lisování a CO2 jako plyn difundující za vysokých tlaků do struktury tohoto biodegradabilního polymeru (Lanza 2000). Z hlediska vnitřní struktury polymerních materiálů je zřejmé, že je možné použít pouze polymerní materiály s velkým amorfním podílem. Dalším omezením je skutečnost, že pouze 10-30 % pórů je jednoznačně propojených. To může být překonáno opět pomocí kombinace s jinou technologií, například s technologií vymývání částic.

Obr. 6.11: Scaffold z†polymeru kyseliny mlÈËnÈ vyroben˝ technologiÌ foam gassing s pomocÌ plynu oxidu uhliËitÈho. MϯÌtko 200 µm. P¯evzato z (Mathieu 2003).

140

2 dil kap 5_6.p65

140

23.7.2008, 13:45

Separace fází Oproti technice sušení za mrazu je separace fází (phase separation technology) založena na mísitelnosti páru rozpouštědlo-nerozpouštědlo pro použitý polymer. Nejprve je opět polymer rozpuštěn ve vhodném rozpouštědle. Následně je polymerní roztok vložen do rezervoáru s nerozpouštědlem, a polymer je tím vysrážen do podoby porézního scaffoldu. Tato technika je značně využívána ve farmaceutickém průmyslu pro výrobu mikrokuliček a umožňuje vnitřní včlenění léčiv, čímž je vytvářen materiál pro řízené dodávání léčiv (Hutmacher 2000). Změnami výrobních parametrů je možné ovlivňovat výslednou strukturu z hlediska velikosti pórů. Jde o změny systému rozpouštědlo-nerozpouštědlo, změnu koncentrace polymerního roztoku, změnu teploty a samozřejmě o přídavky vhodných příměsí. Podobně jako u techniky sušení za mrazu je i tato technologie velmi citlivá na zásahy obsluhy a vlivy použitých zařízení. Příklad scaffoldu vyrobeného touto technikou je na obr. 6.12.

Obr. 6.12: Scaffoldy vyrobenÈ pomocÌ techniky separace f·zÌ z†PCL. MϯÌtko p¯edstavuje na snÌmku vlevo 200 µm a na snÌmku vpravo 1 mm. P¯evzato z (Berger 2002).

Výroba hydrogelů Hydrogely jsou zesíťované (stabilizované vůči rozpuštění ve vodě) hydrofilní polymery, které reprezentují velmi důležitou skupinu biomateriálů pro biotechnologické a medicínské použití. Hydrogely botnají díky své hydrofilitě při kontaktu s vodou, kterou absorbují ve velkém množství. Nedojde však k jejich rozkladu či rozpuštění díky zesíťování dané struktury (Nguyen 2002). To jim dává vlastnosti podobné měkkým tkáním. Ačkoliv jsou hydrogely zdánlivě neporéz141

2 dil kap 5_6.p65

141

23.7.2008, 13:45

ní materiály, díky pronikání vody do daného polymerního materiálu mohou do struktury hydrogelu proniknout i buňky a další důležité látky pro tvorbu konečného implantátu. Polymery, které přirozeně tvoří hydrogely, jsou například algináty (viz obr. 6.13), modifikovaný polyethylen oxid, kyselina hyaluronová, fibrin atd.

Obr. 6.13: Algin·tovÈ hydrogely r˘zn˝ch tvar˘. P¯evzato z (Kuo 2001).

6.5.2 TextilnÌ technologie vhodnÈ k†v˝robÏ scaffold˘ Obecně téměř všechny textilní technologie umožňují vyrábět vysoce porézní vlákenné materiály. Proto jsou textilní techniky hojně využívány k výrobě scaffoldů obecně (Wnek 2004b), a to samozřejmě i scaffoldů pro kolenní chrupavkové implantáty (Freed 1997, Müller 2006, Aigner 1998). Textilní materiály nabízejí buňkám velký specifický povrch vláken pro dobrou adhezi buněk a velkou porozitu pro dostatečné pronikání buněk do celého objemu scaffoldu. Textilní scaffoldy lze dělit podle jejich vlastností, jako jsou porozita, tvar (lineární, dvojrozměrné či trojrozměrné struktury), průměry a tvary vláken, délka vláken, mechanické vlastnosti, biodegradabilita (vstřebatelné či nevstřebatelné materiály), povrchové úpravy atd. Rozvoj textilních scaffoldů nastal s rozvojem chemických vláken z přírodních i ze syntetických polymerů ve čtyřicátých a padesátých letech minulého století. Textilie jsou velmi variabilní materiály, lze vyrobit obrovské množství druhů textilií. S tím souvisí i možnost výroby scaffoldů přesně podle požadavků pro konkrétní aplikace. Tedy přednosti vlákenných materiálů jsou právě v nepřeberných možnostech „vlákenné architektury“. Ohromné množství kombinací jak materiálových, tak strukturních má za následek možnost získání ná142

2 dil kap 5_6.p65

142

23.7.2008, 13:45

sledujících charakteristik tvořeného textilního scaffoldu: řízené mechanické vlastnosti, jako je modul, tažnost, ohebnost, poddajnost atd.; vysoká hodnota poměru pevnost/hmotnost; řízená porozita a prodyšnost, vhodná struktura povrchu pro adhezi tkání; celková struktura podobná struktuře lidských tkání a orgánů; materiál reagující s okolím v těle či k němu netečný (Wnek 2004b) atd. Vlákenné materiály pro využití v tkáňovém inženýrství se mohou vyskytovat jako délkové textilie (monofilamenty, multifilamenty, příze /se zákrutem/ jednoduché či skané atd.) a plošné textilie či objemné textilie (tkaniny, pleteniny, netkané textilie, jejich trojrozměrné modifikace atd.). Vlákenné biodegradabilní scaffoldy určené pro kolenní chrupavkové implantáty jsou většinou založeny na vláknech z biodegradabilních vláknotvorných polymerů, jako například polymeru kyseliny glykolové (Freed 1997), polymeru kyseliny mléčné, polykaprolaktonu, kolagenu atd. V následujících odstavcích budou představeny vybrané publikace popisující aplikaci textilních materiálů jako scaffoldů v tkáňovém inženýrství. Tkaní je nejrozšířenější technologie k výrobě textilií pro oděvní průmysl, ovšem pro svou technologicky náročnou výrobu a menší tažnost a ohebnost jsou tkaniny jen ve velmi omezené míře využívány jako scaffoldy pro tkáňové

Dvouos· tkanina

Vysoce modulov· tkanina

VÌcevrstv· tkanina

Triaxi·lnÌ tkanina

Z·taûn· pletenina

Z·taûn· pletenina s ˙tkem

Z·taûn· pletenina s osnovou

Z·taûn· plet. s osnovou i ˙tkem

OsnovnÌ pletenina

OsnovnÌ pletenina s osnovou

OsnovnÌ plet. se z·taûnou pleteninou

OsnovnÌ plet. se z·taûnou plet. s osnovou

V·lcovit· splÈtan· textilie

SplÈtan· Ëtvercov· textilie

Vl·kenn˝ materi·l

V·lc. splÈt. textilie s osnovou

SplÈtan· Ëtver. textilie s osnovou

SeöÌvan· text. s osnovou

Ploch· splÈtan· textilie

Ploch· splÈtan· textilie s osnovou

3-D splÈt. textilie

3-D splÈt. textilie s osnovou

Dvouos· pojen· textilie

XYZ soustava sloûenÈ textilie

Obr. 6.14: P¯ehled schÈmat r˘zn˝ch typ˘ textilnÌch materi·l˘ tkan˝ch, pleten˝ch a splÈtan˝ch se zamϯenÌm na schÈmata trojrozmÏrn˝ch, komplikovanÏjöÌch textilnÌch struktur (v·lc. ñ v·lcov·, splÈt. ñ splÈtan·, plet. ñ pletenina, Ëtver. ñ Ëtvercov·, text. ñ textilie). P¯evzato z (Wnek 2004b). 143

2 dil kap 5_6.p65

143

23.7.2008, 13:45

inženýrství. Zde jsou spíše používány, a to i tak ve velmi omezené míře, tkaniny trojrozměrné. Trojrozměrné tkaniny jsou vyráběny pomocí tzv. víceosnovního tkaní. Schémata trojrozměrných tkanin je možné nalézt v přehledovém obr. 6.14 a na obr. 6.15.

Obr. 6.15: TrojrozmÏrnÈ tkaniny a trojrozmÏrn· triaxi·lnÌ tkanina ñ zcela vpravo. P¯evzato z (Wnek 2004b). Například v roce 2007 byla publikována práce (Moutos 2007), prezentující trojrozměrnou tkaninu jako vhodný scaffold pro tkáňové inženýrství chrupavky. Podle autorů tohoto článku se trojrozměrná tkanina vyznačuje podobností mechanických vlastností s vlastnostmi přirozené chrupavky. Snímek tkaniny a speciálního tkalcovského stavu, na kterém je vyráběna, je na obr. 6.16. Ovšem

Obr. 6.16: KonkrÈtnÌ p¯Ìklad 3D tkaniny (vlevo) a stavu, kde je vyr·bÏna, pro ˙Ëely tk·ÚovÈho inûen˝rstvÌ chrupavky. P¯evzato z (Moutos 2007). 144

2 dil kap 5_6.p65

144

23.7.2008, 13:45

je třeba poznamenat, že již na konci minulého století se objevily publikace doporučující trojrozměrnou tkaninu jako vhodného kandidáta na scaffoldy pro kolenní chrupavkové implantáty (Shikinami 1998, Hasegawa 1999). Pletení je druhou nejznámější textilní technologií k výrobě materiálů jak plošných, tak zejména objemných neboli trojrozměrných. Zátažné pleteniny mají vysokou roztažnost, jsou extrémně poddajné, prodyšné a stlačitelné, což vyplývá z otevřené geometrie oček. Oproti tomu osnovní pleteniny mají vysokou linearitu délkových útvarů, což vede k omezené roztažnosti a nízké poddajnosti. Snadná výroba trojrozměrných, vysoce porézních pletenin je předurčuje pro výrobu scaffoldů. Schémata příkladů pletenin jsou uvedena na obr. 6.17, kde je také možno vidět snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu a

b

c

d

Obr. 6.17: SchÈma jednoho typu z·taûnÈ pleteniny ñ oboulÌcnÌ z·taûn· pletenina (a), schÈma jednoho typu osnovnÌ pleteniny ñ osnovnÌ jednolÌcnÌ vazba otev¯en˝ trikot (b) a konkrÈtnÌ p¯Ìklady biodegradabilnÌch pletenin pouûit˝ch jako scaffold pro kolennÌ chrupavkov˝ implant·t ñ pletenina dle schÈmatu (a) z†PLGA multifil˘ je na obr·zku (c) a pletenina dle schÈmatu (b) takÈ z†PLGA multifil˘ je uvedena na obr·zku (d). SnÌmek (c) je p¯evzat z (Ho 2006) a snÌmek (d) z (Chen 2005). 145

2 dil kap 5_6.p65

145

23.7.2008, 13:45

skutečné biodegradabilní osnovní pleteniny s vazbou trikot tvořené z multifilů z kopolymeru kyseliny mléčné a glykolové (PLGA) studovaný v práci (Chen 2005) jako scaffold. Ovšem v tomto konkrétním případě se jednalo o scaffold pro kožní implantát nikoliv implantát kolenní chrupavky. Tento snímek zde slouží jen jako ilustrační. Dále na obr. 6.18 je možné vidět detailní snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu po nasazení buněk na výše zmiňovaný pletený scaffold. Pletenina je vhodným kandidátem na vlákenné scaffoldy, a to nejen pro kolenní chrupavkové implantáty, má totiž speciální mechanické vlastnosti, jak bylo uvedeno výše, které lze upravovat pomocí typu vazby. Pomocí vazby je možné také měnit porozitu a zároveň i míru „trojrozměrnosti“. Problémem zde je ovšem velikost ok – respektive velkých pórů, které samozřejmě nemohou zachytit nasazované buňky, a nedochází tedy k vytváření celistvé tkáně (viz obr. 6.18).

Obr. 6.18: Detaily osnovnÌ pleteniny (obr. 6.17d) s†nasazen˝mi buÚkami: po 30 minut·ch (vlevo) ñ mϯÌtko 66,7 µm, po pÏti dnech (vpravo) ñ mϯÌtko 66,7 µm. P¯evzato z (Chen 2005). Netkané textilie se vyrábějí přímo z vlákenného materiálu, obchází se tedy fáze výroby příze. To má za následek snížení ceny těchto výrobků a vysokou produktivitu výroby. Vyrobené vlákenné vrstvy s možností různé orientace vláken (vyrobené pomocí mykání, naplavování, aerodynamicky, přímo z polymeru technologií spun-bond nebo melt blown atd.) lze dále zpevňovat mechanicky (např. vpichováním, metodou spun-laced – tedy zpevňování pomocí paprsků vody), termicky (např. kalandrem, horkovzdušně) či chemicky (např. disperzí, pěnou, práškem). V oblasti textilních scaffoldů pro chrupavkové implantáty převládají právě 146

2 dil kap 5_6.p65

146

23.7.2008, 13:45

netkané textilie (nebo jak je v mnoha publikacích uváděno materiály charakteru spleti vláken). Výhody, které výzkumníci u netkaných textilií spatřují, jsou: náhodná orientace vláken, možnost tvorby relativních trojrozměrných struktur, vysoká porozita s vhodnou velikostí pórů pro dobré pronikání buněk do scaffoldu, dostatečné mechanické vlastnosti, velikost a povrch vláken dovolující dobrou adhezi buněk, samozřejmě snadná a relativně levná výroba atd. Pro výrobu netkaných textilií jako scaffoldů kolenních chrupavkových implantátů jsou využívána vlákna klasických rozměrů (10–20 µm). Pro výrobu vláken, ze kterých dále netkané textilie jako scaffoldy vznikají, jsou velmi často používány polymer kyseliny glykolové – PGA (Müller 2006, Freed 1997, Grande 1997, Kreklau 1999, Endres 2007) a jeho různé kopolymery a dále pak deriváty kyseliny hyaluronové (Aigner 1997, Milella 2002). Příklady scaffoldů kloubních chrupavek studovaných převážně v in vitro studiích jsou uvedeny na obr. 6.19–6.20.

Obr. 6.19: P¯Ìklad naplavovanÈ netkanÈ textilie z†PGA vl·ken pojenÈ pomocÌ chemickÈho pojenÌ kyselinou hyaluronovou. SnÌmek z†rastrovacÌho elektronovÈho mikroskopu (vlevo) ñ mϯÌtko 500 µm; snÌmek z†fluorescenËnÌho konfok·lnÌho mikroskopu po 14 dnech in vitro kultivace chondrocyt˘ na tomto scaffoldu (vpravo) ñ mϯÌtko 80 µm.

147

2 dil kap 5_6.p65

147

23.7.2008, 13:45

Obr. 6.20: Netkan· textilie z†vl·ken polymeru kyseliny glykolovÈ termicky bodovÏ pojen· pomocÌ polydioxanonu popisovan· jako vhodn˝ scaffold pro kolennÌ chrupavku (Kreklau 1999) ñ mϯÌtko 100 µm.

Obr. 6.21: P¯Ìklad netkanÈ textilie vytvo¯enÈ z†lyocelov˝ch vl·ken (vl·ken z†regenerovanÈ celulÛzy) pouûit˝ jako scaffold pro hyalinnÌ chrupavku. SnÌmek z†rastrovacÌho elektronovÈho mikroskopu zachycujÌcÌ netkanou textilii povrchovÏ upravenou pomocÌ Ca(OH)2 ñ (vlevo) a snÌmek v˝öe popsanÈho scaffoldu z†netkanÈ textilie z†fluorescenËnÌho mikroskopu po jednom t˝dnu od nasazenÌ chondrocyt˘ ñ (vpravo). P¯evzato z (M¸ller 2006). 148

2 dil kap 5_6.p65

148

23.7.2008, 13:45

Elektrostatické zvlákňování (electrospinning) zastupuje jednu z nejmodernějších textilních technologií, skýtající velký potenciál pro budoucnost vlákenných i nanovlákenných materiálů nejen v tkáňovém inženýrství, ale v medicíně obecně. Elektrostatické zvlákňování je proces výroby ultrajemných vláken. O nanovláknech je možné hovořit, pokud mají průměr menší než 1 µm. Při určitých podmínkách zvlákňování, zejména při vhodné volbě páru zvlákňovaný polymer/rozpouštědlo, je možné vytvořit i vlákna silnější, a to v rozmezí 1–3 µm. Tato technologie je známa již od počátku minulého století (Forhams 1934), ale její hlavní „nástup“ je datován od přelomu 20. a 21. století.

Obr. 6.22: DvÏ z·kladnÌ uspo¯·d·nÌ elektrostatickÈho zvl·kÚov·nÌ: zvl·kÚov·nÌ z†trysky, respektive z†injekËnÌ st¯ÌkaËky (vlevo) a zvl·kÚov·nÌ z†tyËky (vpravo) Okouzlující jednoduchost tohoto procesu spočívá v samoorganizaci polymerního roztoku či taveniny do formy nanovláken jen s pomocí elektrického pole. Z fyzikálního hlediska se elektrostatické zvlákňování podobá stromu neobvyklého tvaru. Vyrůstá z „kořenů“ v tenké povrchové vrstvě polymerního roztoku (sloužící jako jedna ze dvojice elektrod) a pokračuje „kmenem“ představovaným stabilní částí proudu polymeru. Následující bičující zóna proudu polymeru vytváří jednotlivé „větve“ tohoto stromu. Jeho plody, tedy nanovlákna, jsou zachytávána na druhé z elektrod spojené se zdrojem vysokého napětí (Lukáš 2007). Existuje celá řada uspořádání zařízení pro elektrostatické zvlákňování, která samozřejmě také ovlivňují proces zvlákňování, ale zejména produktivitu výroby vlákenné vrstvy. Některé vybrané typy uspořádání elektrostatického zvlákňování jsou uvedené na obr. 6.22. 149

2 dil kap 5_6.p65

149

23.7.2008, 13:45

Elektrostatické zvlákňování je ovlivňováno celou řadou faktorů, a to jak procesních, tak materiálových. Jedná se například o: okolní teplotu a vlhkost, vzdálenost elektrod, použité napětí, koncentraci, viskozitu, povrchové napětí a vodivost zvlákňované kapaliny, aditiva atd. Elektrostaticky vytvořené vlákenné a nanovlákenné vrstvy aplikované jako scaffoldy či nosiče v tkáňovém inženýrství jsou vyráběny zejména z biodegradabilních polymerů a kopolymerů, jako například z polymeru kyseliny glykolové – PGA (Huang 2003), polymeru kyseliny mléčné – PLA, polyethylenoxidu – PEO, chitosanu, kolagenu (Matthews 2002), polykaprolaktonu (Huang 2003) atd. Příklady elektrostaticky zvlákněných biodegradabilních materiálů jsou uvedeny na obr. 6.23.

Obr. 6.23: VybranÈ p¯Ìklady biodegradabilnÌch elektrostaticky zvl·knÏn˝ch materi·l˘: chitosan/polyvinylalkohol (vlevo) ñ mϯÌtko 5 µm, polykaprolakton (uprost¯ed) ñ mϯÌtko 5 µm, kopolymer kyseliny glykolovÈ a†mlÈËnÈ (vpravo) ñ mϯÌtko 50 µm.

Další speciální úpravy elektrostatického zvlákňování vedou k výsledné strukturní modifikaci vlákenných materiálů. Je možné vlákna řízeně orientovat, a to jak jednosměrně, tak ve více směrech, a vytvářet bikomponentní či dutá vlákna, což přináší další výhody těchto materiálů pro tkáňové inženýrství. Pomocí směru orientace vláken či nanovláken je možné ovlivňovat orientaci růstu buněk nebo vytvářet vlákenné materiály pro řízené dodávání léčiv – léčivo totiž může být umístěno dovnitř dutého vlákna. Tyto techniky jsou popsány v rešeršních publikacích (Huang 2003, Reneker 2005). Příklady speciálně strukturovaných elektrostaticky zvlákněných materiálů jsou na obr. 6.24.

150

2 dil kap 5_6.p65

150

23.7.2008, 13:45

a

b

c

d

e

Obr. 6.24: P¯Ìklady bikomponentnÌch vl·ken z†tzv. koaxi·lnÌho elektrostatickÈho zvl·kÚov·nÌ (a; b), orientovan˝ch elektrostaticky zvl·knÏn˝ch materi·l˘ (c; d) a porÈznÌch elektrostaticky zvl·knÏn˝ch vl·ken (e) Pojení vláken je poslední technikou výroby scaffoldů, která bude v této kapitole představena. Vlákna poskytují velkou plochu povrchu ve vztahu k objemovému podílu, a jsou tedy ideálním materiálem pro výrobu scaffoldů. Avšak je třeba, aby si materiál vyrobený z vláken zachoval tuto vlastnost i po výrobě a úpravách textilie. O to usiluje tato metoda, obecně nazývaná pojení vláken (fiber bonding). V oblasti tkáňového inženýrství a výroby scaffoldů má zcela konkrétní význam a zaměřuje se pouze na jeden postup pojení vláken, který je popsán dále. Vysvětlení principu bude provedeno na konkrétním případě, neboť v literatuře se objevuje tento postup převážně s těmito polymerními materiály a rozpouštědly (Lanza 2000). Nejprve je vyrobena vlákenná vrstva z PGA vláken. Současně je vytvářen roztok PLLA v methylen chloridu. Methylen chlorid není rozpouštědlem pro PGA, a výsledným roztokem tedy může být vlákenná vrstva z PGA vláken impregnována. Dále je odpařeno rozpouštědlo a jeho zbytky jsou odstraněny pomocí vakuového sušení. Takto vzniklý materiál je tvořen nepro151

2 dil kap 5_6.p65

151

23.7.2008, 13:45

pojenou vrstvou vláken PGA zabudovaných v matrici z PLLA. Následně je tento kompozit zahříván až nad teplotu tání PGA. Po zahřátí dojde ke spojení vláken v bodech jejich dotyku, ovšem nedojde ke splynutí PGA a PLLA, neboť tyto polymery jsou ve formě taveniny nemísitelné. Po ochlazení se pak odstraní PLLA opět pomocí rozpuštění v methylen chloridu a výsledná PGA vrstva spojených vláken je vakuově vysušena. Použitím této metody jsou vlákna fyzikálně spojena bez jakékoliv povrchové či objemové změny struktury a bez změny původního průměru vláken. Celý proces je ovšem velmi složitý a časově náročný a je ho možné použít jen pro omezené množství polymerů s ohledem na podmínky jejich rozpustnosti a tání. Kompozitní materiály jsou uvedeny na závěr této kapitoly, aby nebyly opomenuty kombinace jednotlivých výše uvedených textilních technik s technikami netextilními. Toto kompozitní působení tak, jak je u kompozitních materiálů pravidlem, ústí v tzv. synergický efekt, tedy v efekt společného působení více druhů materiálů, který je obvykle větší nebo kvalitativně lepší než prostý součet efektů působení pouze samotných jednotlivých materiálů. Příkladem je spojení pěny a pleteniny uvedené na obr. 6.25. Zde je nutné porovnat rovnoměrnost růstu buněk v celém objemu scaffoldu s pouze pleteným scaffoldem (viz obr. 6.18). Další příklady kompozitních scaffoldů jsou uvedeny na obr. 6.26.

Obr. 6.25: KompozitnÌ scaffold tvo¯en˝ PLGA osnovnÌ pleteninou prosycenou kolagenovou pÏnou p¯ed testov·nÌm (vlevo), kompozitnÌ scaffold po t˝dnu (uprost¯ed) a po Ëty¯ech t˝dnech (vpravo) od nasazenÌ bunÏk na scaffold. MϯÌtko 100 µm. P¯evzato z (Chen 2003).

152

2 dil kap 5_6.p65

152

23.7.2008, 13:45

Obr. 6.26: ÿezy kompozitnÌmi materi·ly tvo¯en˝mi textiliemi prosycen˝mi pÏnou: z·taûn· oboulÌcnÌ PGA pletenina prosycena zesÌùovanou ûelatinovou pÏnou (vlevo) ñ mϯÌtko 1 mm; tkanina z†PGA vl·ken prosycen· roztokem kopolymeru PLA/PCL a podroben· technologie suöenÌ za mrazu pro docÌlenÌ porÈznÌ struktury (vpravo) ñ mϯÌtko 200 µm. P¯evzato z (Matsurama 2003).

6.6 Seznam d˘leûit˝ch definic a pojm˘ Adheze znamená přilnavost dvou povrchů (v tomto případě buňky na povrch scaffoldu). Botnání je pohlcování nízkomolekulárního rozpouštědla (např. vody) polymerním materiálem, který při tom zvětšuje svou hmotnost i objem. Botnání je zvláštním případem rozpouštění polymerů, respektive jeho prvním stupněm. O tom, zda bude docházet k omezenému nebo neomezenému (tedy úplnému rozpuštění botnajícího polymerního materiálu v rozpouštědle) botnání, rozhoduje předně pevnost spojů mezi makromolekulami v botnajícím materiálu, afinita polymerního materiálu k rozpouštědlu, struktura polymerního materiálu a další fyzikální podmínky jako teplota, tlak atd. Rychlost botnání s rostoucí teplotou vždy vzrůstá. CAD (zkratka pro anglické Computer Aires Design – návrh pomocí počítače) počítačem podporované řešení úloh v konstrukci, technické přípravě výroby atd. Tyto programy slouží k provádění výkresů, k usnadnění práce konstruktérů při návrhu strojů a zařízení, architektům pro projekci staveb atd. Denaturace je obecně operace, kterou se mění některá látka, ne sice v podstatě, avšak kvalitativně přece tak, že již není k jistému účelu způsobilá. 153

2 dil kap 5_6.p65

153

23.7.2008, 13:45

Elastická chrupavka tvoří například ušní boltec, příklopku hrtanovou a drsné průdušky. Chondrocyt je buňka chrupavky. Implantát je přenesený orgán nebo jeho část do organismu. Většinou jde o náhradu části orgánu uměle vytvořenou komponentou (například umělá srdeční chlopeň, kloubní náhrady, zubní implantáty atd.). Implantátem je ovšem také nazýván scaffold osazený buňkami a připravený k vložení (implantaci) do organismu. Kolagen je ve vodě nerozpustná bílkovina, která je základní stavební hmotou pojivových tkání. V současnosti je známo nejméně 27 rozdílných typů kolagenů. Existuje celá řada typů, nejdůležitější je kolagen typu I, II, III, IV a V. Nejrozšířenější je typ I, představuje 90 % kolagenu v organismech, je přítomen v pokožce, šlachách, kostech a zubech. Typ II se vyskytuje v chrupavkách. Typ III je kolagen embryonálního vývoje, později je nahrazen typem I. Typ IV se vyskytuje v bazální membráně epitelů. Kolagen typu V je charakteristický pro stěnu krevních cév. Kolagenní vlákna jsou tvořená kolagenem. Jsou to ohebná, v tahu velmi pevná vlákna, s tendencí rozvětvovat se. Jedná se o nejrozšířenější typ vláken pojivové tkáně. Lyofilizace znamená vymražení, vakuové sušení, mrazovou sublimaci. Jedná se o odpaření vody ze zmrzlého vzorku pod vakuem. Mezibuněčná hmota je extracelulární hmota – základní hmota aktivně produkovaná různými typy buněk, hl. mezenchymálních; je vylučována do mezibuněčných prostor, kde polymeruje a vytváří obě komponenty, tj. zákl. hmotu fibrilární a amorfní. Je to označení pro veškerou hmotu v těle organismů, která se nachází mimo buňky. Migrace znamená přemísťování či přesun. Netkaná textilie je vlákenná vrstva vyrobená z jednosměrně nebo náhodně orientovaných vláken, spojených třením a/nebo kohezí a/nebo adhezí s výjimkou papíru a výrobků vyrobených tkaním, pletením, všíváním, proplétáním nebo plstěním. Tato definice netkaných textilií podléhá vývoji vzhledem k tomu, že stále vznikají nové technologie a s tím spojené výrobky a struktury. Mezi současné nejznámější technologie výroby netkaných textilií patří: vpichování, melt-blown, spun-bond, spun-laced atd. Osteoartróza je stav synoviálního kloubu, kdy dojde ke ztrátě chrupavky (chondropatie) a současně dojde k hypetrofii (novotvorbě/nárůstu) kosti subchondrální. Na kosti tak například mohou vzniknout osteofyty (výrůstky na kosti). Jde o kompenzační mechanismus, který však ve svém důsledku omezuje 154

2 dil kap 5_6.p65

154

23.7.2008, 13:45

pohyblivost kloubů. Vývoj osteoartrózy je často výsledkem zranění kloubní chrupavky (Atala 1997). Pletení je vzájemné proplétání kliček a oček pro vytvoření pleteniny, tedy dvojrozměrné či trojrozměrné textilie. Nit se při pletení deformuje do kliček, jejichž vzájemným provázáním vznikají očka. Proto se pro pletení nejčastěji používají tvárnější příze s menším počtem zákrutů než například pro tkaniny. Základní dělení pletenin je na pleteniny zátažné a osnovní. Zátažné pleteniny vznikají postupným provlékáním niti vazebními prvky ve směru řádků. Zátažné pleteniny jsou snadno paratelné. Osnovní pleteniny vznikají provléknutím soustavy nití vazebnými prvky ve směru sloupků, a tudíž jsou paratelné velmi obtížně. Porogen je inertní materiál přidaný do směsi, aby se dle něj vytvořily póry v konečném výrobku. Proliferace vyjadřuje novotvoření tkáně podmíněné množením buněk. Proteoglykany jsou skupinou hybridních molekul obsahujících kovalentně vázané bílkoviny a polysacharidy. Polysacharidová složka je dominující a činí 95 % i více. Tkaní je textilní technologie zpracovávající většinou dvě soustavy nití (osnovu a útek) vzájemným křížením do formy tkaniny, tedy plošných textilních materiálů. Vazivová chrupavka je velmi mechanicky odolná a nachází se například v meziobratlových ploténkách.

6.7 Pouûit· literatura Aigner, J., Tegeler, J., Hutzler, P., Campoccia, D., Pavesio, A., Hammer, C., Kastenbauer, E., Naumann, A.: Cartilage tissue engineering with novel nonwoven structured biomaterial based on hyaluronic acid benzyl ester, Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 42, Issue 2, pg. 172–181, 1998 Atala, A., Mooney, D.: Synthetic Biodegradable Polymer Scaffolds, Birkhäuser, 1997, ISBN 0-8176-3919-5 Berger, S. et al.: Hipco International, 2002, dostupné (20. 11. 2007) na world wide web na adrese: http://web.mit.edu/filip/Public/3.082/sem6.htm Edwards, S. L., Mitchell, W. and col.: Design of nonwoven scaffold structures for tissue engineering of the anterior cruciate ligament, AUTEX Research Journal, Vol.4, No.2, pages 86-94, 2004 Endres, M., Neumann, K., Schröder, S., E., A., Vetterlein, S., Morawietz, L., 155

2 dil kap 5_6.p65

155

23.7.2008, 13:45

Ringe, J., Sittinger, M., Kaps, C.: Human polymer-based cartilage grafts for the regeneration of articular cartilage defects, Tissue and Cell, Vol. 39, pg. 293–301, 2007 Forhams, A.: US Patent, 1.975.504, 1934 Freed, L., E., Vunjak-Novakovic, G.: Culture of organized cell communities, Advanced Drug Delivery Reviews, Vol. 33, pg. 15–30, 1997 Grande, D., A., Halberstadt, C., Naughton, G., Schwartz, R., Manji, R.: Evaluation of matrix scaffolds for tissue engineering of cartilage grafts, Journal of Biomedical Material Research, Vol. 34, pg. 211–220, 1997 Hasegawa, M., Sudo, A., Shikinami, Y., Uchida, A.: Biological performance of a three-dimensional fabric as artificial cartilage in the repair of large osteochondral defects in rabbit, Biomaterials, Vol. 20, pg. 1969–1975, 1999 Ho, S., T., Hutmacher, D., W.: A comparison of micro CT with other techniques used in the caracteriaztion of scaffolds, Biomaterials, Vol. 27, pg. 1362– 1376, 2006 Hohlweg-Majert, B. et al.: Different growing of osteoblasts on 3D structures in comparison with industrial and individual materials, International Poster Journal Dent Oral Med, Vol. 8, No. 03, Poster 323, 2006, dostupné na world wide web na adrese: http://ipj.quintessenz.de/index.php?content=issues& doc=poster&select=323 Huang, Z.-M., Zhang, Y.-Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S.: A reviw on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Composites Science and Technology, Vol.63, pg. 2223–2253, 2003 Hutmacher, D., H.: Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage, Biomaterials, Vol. 21, pg. 2529–2543, 2000 Chen, G., Sato, T., Ohgushi, H., Ushida, T., Tateishi, T., Tahala, J.: Culturing of skin fibroblasts in a thin PLGA/collagen hybrid mesh, Biomaterials, eISSN: 0142-9612, Vol. 26, pg. 2559-2566, 2005 Chen, G., Sato, T., Ushida, T., Hirochika, R., Tateishi, T.: Redifferatiation of dedifferentiated bovine chondrocytes when cultured in vitro in a PLGAcollagen hybrid mesh, FEBS Letters, Vol. 542, pg. 95-99, 2003 Kreklau, B., Sittinger, M., Mensing, M., B., Voigt, C., Berger, G., Burmester, G., R., Rahmanzadeh, R., Gross, U.: Technical note: Tissue engineering of biphasic joint cartilage transplant, Biomaterials, Vol. 20, pg. 1743-1749, 1999 Kuo, C., K., Ma, P., X.: Ionically crosslinked alginate hydrogels as scaffolds for tissue engineering: Part 1. Structure, gelation rate and mechanical properties, Biomaterials, Vol. 22, pg. 511-521, 2001 156

2 dil kap 5_6.p65

156

23.7.2008, 13:45

Lanza, R., P., Langer, R., Vacanti, J.: Principles of Tissue Engineering, Second Edition, Academic Press, ISBN 0-12-436630-9, 2000 Lu, L., et al.: In vitro degradation of porous poly(L-lactic acid) foams, Biomaterials 21, pg. 1959-1605, 2000 Lukáš, D.: Nepublikované sdělení, TUL, 2007 Mathieu, L. et al.: Bioresorbable scaffolds prepared by supercritical fluid foaming, European Cells and Materials, Vol. 5, str. 32, 2003 Matsumura, G., Hibino, N., Ikada, Y., Kurosawa, T., Shin’oka, T.: Successful application of tissue engineered vascular autografts: clinical experience, Biomaterials, Vol. 24, pg. 2303–2308, 2003 Matthews, J., A., Wnek, G., E., Simpson, D., G., Bowlin, G., L.: Electrospinning of Collagen Nanofibers, Biomacromolecules, Vol. 3, pg. 232–238, 2002 Mikos, A., G., et al.: Laminated three dimensional biodegradable flaks for use in tissue engineering, Biomaterials, Vol. 14, pg. 323–330, 1993 Mikos, A., G., Temenoff, J., S.: Formation of highly biodegradable scaffolds for tissue engineering, Electronic Journal of Biotechnology, Vol. 3 No.2, pages 114–119, 2000 Milella, E., Brescia, E., Massaro, C., Ramires, P., A., Miglietta, M., R., Fiori, V., Aversa, P.: Physico-chemical properties and degradability of non-woven hyaluronan benzylic esters as tissue engineering scaffolds, Biomaterials, Vol. 23, pg. 1053–1063, 2002 Moutos, F., T., Freed, L., E., Guilak, F.: A biomimetic three-dimensional woven composite scaffold for functional tissue engineering of cartilage, Nature Materials, Vol. 6, pg. 162–167, 2007 Müller, F., A., Müller, L., Hofmann, I., Greil, P., Wenzel, M., M., Staudenmaier, R.: Cellulose-based scaffold materials for cartilage tissue engineering, Biomaterials, Vol. 27, pg. 3955–3963, 2006 Nguyen, K., T., West, J., L.: Photopolymerizable hydrogels for tissue engineering applications, Biomaterials, Vol. 23, pg. 4307–4314, 2002 Pamula, E.: Bioresorbable porous scaffolds for tissue engineering, Univerzity of Science and Technology, Faculty af Materials Science and Ceramics, Department of Biomaterials, Krakow, Poland, 2002 Pieper, J., S., et al.: Crosslinked type II collagen matrice: preparation, characterization and potential for cartilage engineering, Biomaterials, Vol. 23, pg. 3183–3192, 2002 Reneker, D., H., Fong, H.: Polymeric nanofibers, ACS symposium series 918, ISBN978-0-8412-3919-7, 2005 157

2 dil kap 5_6.p65

157

23.7.2008, 13:45

Shi, D.: Introduction to Biomaterials, Tsinghua University Press, 2006, ISBN 7302108072 Shikinami, Y., Kawarada, H., Potential application of a triaxial three-dimensional fabric (3-DF) as an implant, Biomaterials, Vol. 19, pg. 617–635, 1998 Tienen, van T., G., et al.: Tissue ingrowth and degradation of two biodegradable porous polymers with different porosities and pore sizes, Biomaterials, Vol. 23, pg. 1731–1738, 2002 Tuli, R., Li, W., J., and col.: Current state of cartilage tissue engineering, Arthritis Res Ther, No.5, pg. 235–238, 2003 Wnek, G., E., Bowlin, G., L.: Encyclopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering, Volume 2, Marcel Deker, ISBN 0-8247-5556-1, 2004 Wnek, G., E., Bowlin, G., L.: Encyclopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering, Volume 1, Marcel Deker, ISBN 0-8247-5498-0, 2004b

158

2 dil kap 5_6.p65

158

23.7.2008, 13:45

7. Polymery a reakce v organismu Lenka Martinov·

7.1 Xenobiotika Použití polymerních látek v biomedicíně je nesmírně široké a dnes již neodmyslitelné. V popředí našeho zájmu v předmětu medicínské textilie stojí polymery určené k implantaci do organismu nebo přicházející do bezprostředního styku s vnitřním prostředím organismu (krevní oběh), na něž jsou kladeny daleko vyšší nároky. S rozvojem použití polymerů v biomedicíně se objevila řada nevyjasněných problémů ve vztahu struktury polymeru a odezvy organismu. Tato odezva je rozdílná u nerozpustných a rozpustných polymerů. Aby se stejná chemická struktura dala studovat v širokém rozmezí aplikací, je nutné použít hydrofilní polymery. V rámci celkově rostoucí chemizace se stupňuje i význam ovlivňování biologických systémů chemickými látkami. Z části jde o ovlivnění záměrné, kdy použití vhodných látek napomáhá například úspěšnější léčbě chorob, zvýšení zemědělské výroby nebo při nejrůznějších zásazích do životního prostředí. Druhou část tvoří expozice biosféry cizorodým látkám, které necíleně kontaminují prostředí s negativními důsledky. Objasnění vztahů mezi strukturou takovýchto cizorodých látek (xenobiotik), jejich chemickými vlastnostmi a účinky, které vyvolávají u živých organismů, nabývá proto stále na významu. Na jedné straně jde o to, abychom s co nejnižšími náklady a v rozumných lhůtách byli schopni vyvinout látky působící v požadovaném směru dokonaleji než dosavadní. Na straně druhé potřebujeme zhodnotit důsledky expozice biologických systémů xenobiotikům, používaným v průmyslu, zemědělství, potravinářství apod. Látka vpravená do organismu vyvolává určitou reakci – odpověď. Tato odpověď má dvě složky: kvalitativní a kvantitativní. Kvalitativní složkou se rozumí způsob, charakter odpovědi – účinek. Kvantitativní složka popisuje velikost účinku. Účinnost je vlastností hodnocené látky vztahující se k její schopnosti vyvolat účinek.

159

2 dil kap 7_8.p65

159

23.7.2008, 13:45

7.1.1 Reakce organismu a z·kladnÌ mechanismy interakcÌ s xenobiotiky Živé organismy jsou velice jemně vyvážené systémy s celou soustavou regulací, které zaručují stálost i integritu jejich vnitřního prostředí. Reakce na xenobiotika může proto v závislosti na místě zásahu zahrnovat změny od naprosto nepatrných a potlačovaných regulačními mechanismy (v praxi nezjistitelné) až po takové, které nejsou slučitelné s dalším. Určitou biologickou odpověď vyvolává jakákoliv látka, vpravená do organismu v dostatečném množství. V působení jednotlivých látek jsou však rozdíly, které se projevují především stupněm specifity účinku, daného místem a způsobem zásahu. Účinky xenobiotik, které nejsou zprostředkované působením na receptor, jsou pak důsledkem jejich fyzikálně chemických vlastností, např. osmotického tlaku, pH, lipofility, chemických interakcí s ionty nebo mechanismem záměny za přirozeně se vyskytující substráty. Pro účinek xenobiotik v biologických systémech je směrodatná koncentrace látky v místě jejího působení. Je potřebné zdůraznit, že veškerých dějů se zúčastní volná, rozpuštěná látka.

7.1.2 Osud xenobiotika v organismu Cestou přívodu látky do organismu je nejčastěji zažívací trakt. V lékařství při farmakoterapii přibývá podání jinými cestami (parenterální aplikace). Například jsou to různé způsoby injekčního podání nebo nověji transdermální a inhalační aplikace. V toxikologii stojí právě tyto způsoby přechodu látek do organismu, tj. kůží a plícemi, svým významem ihned za vniknutím toxického agents do organismu ústy. V závislosti na cestě přívodu je látka vstřebávána (absorbována) do krve a distribuována oběhovým systémem do celého organismu. Z krve přechází do jednotlivých tkání podle bohatosti jejich prokrvení. V krevním řečišti a v tkáních (především v jaterní) podléhá látka metabolické přeměně a vzniklé metabolické produkty mohou být někdy vlastními nositeli účinku nebo mohou k celkovému účinku přispívat. Z krevního řečiště je látka odstraňována vylučovacími orgány, a to buď v původní formě, nebo jako metabolit. Během transportních pochodů dochází k překonávání lipoidních membrán oddělujících od sebe jednotlivé složky vnitřního prostředí. Látka nebo její metabolit pronikají po určité době od podání k cílovým místům, kde vyvolávají sledovaný efekt. Pro transport látky v organismu má značný význam její rozpustnost v jednotlivých tkáňových komponentách a vazba na bílkoviny, obojí za aktuálního pH. Vazba na bílkoviny představuje reverzibilní imobilizaci (znehybnění, ukotvení) látky snížením koncentrace její volné slož160

2 dil kap 7_8.p65

160

23.7.2008, 13:45

ky, čímž se tvoří depotní (uložená) forma, ze které se vázaná látka při snížení obsahu volné frakce uvolňuje až do dosažení rovnováhy. Na podkladě rozpustnosti v tukových složkách membrán se ustalují koncentrace v tkáních, které jsou ve vzájemné dynamické závislosti.

7.1.3 Metabolismus xenobiotika Tělo odstraňuje xenobiotika pomocí metabolismu. Toho je docíleno nejprve deaktivací xenobiotika a následně jeho odbouráním, zejména díky činnosti jater. K vyloučení xenobiotika dochází močí, stolicí, dechem a potem. Hepatitické (hepaticus – jaterní) enzymy jsou zodpovědné za první aktivaci xenobiotika, ke které dochází jeho oxidací, redukcí, hydrolýzou nebo hydratací. Potom probíhá konjugace sekundárních metabolitů s glukuronovou nebo sírovou kyselinou nebo glutathionem, následována vyloučením žlučí nebo močí. Příkladem skupiny enzymů zapojených v metabolismu xenobiotik je hepatitický cytochrom P450. Tento enzym, který metabolizuje xenobiotika, je velmi důležitý pro farmaceutický průmysl, protože je zodpovědný za odbourávání medikamentů.

7.2 Biologick· ˙Ëinnost a ˙roveÚ jejÌho hodnocenÌ Biologická účinnost je mírou schopnosti látky vyvolat definovanou odpověď biologického objektu. Můžeme ji hodnotit na různém stupni komplexity ovlivňovaného systému. Nejjednodušším modelem působení xenobiotik je sledování biochemické reakce odpovědné za vznik účinku na molekulární úrovni. Jde o změny enzymových aktivit nebo o popis receptorových interakcí, například vazebnou studií s radioaktivně značenými látkami. Takovým způsobem je možné hodnotit působení látky bez ovlivnění transportními mechanismy a vztahy mezi účinkem xenobiotika na zvolený substrát a strukturou xenobiotika. Stoupající složitost biologického systému komplikuje hodnocení osudu látky, a to na úrovni buněk a izolovaných orgánů nebo orgánů in situ nebo in vivo Výsledná odpověď je dána souhrnem dílčích pochodů zahrnujících absorpci, distribuci, vylučování, metabolimus a interakce s biomakromolekulami v cílových tkáních. Testování biologické účinnosti má však svůj význam na každé úrovni, pokud je přiměřená požadovanému cíli, a vyvozují se z něho adekvátní závěry. Například mechanismus účinku léčiva nelze odvodit pouze z pokusů in vitro, i když tyto pokusy zaměřené na sledování jednotlivých dílčích jevů významně přispívají právě k pochopení zákonitosti účinků látek. Spojení hodnotících účinků 161

2 dil kap 7_8.p65

161

23.7.2008, 13:45

in vivo a in vitro proto může být dalším přínosem pro fundovaný rozbor struktura versus účinek.

7.3 N·roky na materi·l aplikovan˝ v lidskÈm tÏle V posledních dvou dekádách bylo dosaženo významného pokroku ve vývoji biokompatibilních a biodegradabilních materiálů pro biomedicinální aplikace, později také pro průmyslové aplikace. Z biomedicinálního hlediska je zapotřebí vyvinout a charakterizovat uměle připravené materiály (spare parts) pro aplikaci v lidském těle, například pro obnovu a zlepšení fyziologické funkce, pro další přežití nebo pro zlepšení kvality života. Dosud jsou zejména využívány materiály (i) anorganické (kovy, keramika a sklo), (ii) polymerní (přírodní i syntetické), kupříkladu srdeční chlopně, umělé cévy, medicinální adheziva, šicí materiály, dentální kompozity a polymery pro řízený transport léčiv. Při vývoji nových biokompatibilních materiálů je třeba zvážit možnost přeměny materiálu ze stavu netoxicity do bioaktivity, která je spojena s dobou setrvání materiálu v biologickém prostředí (in vivo), stejně tak i se změnou jeho specifických vlastností. Paralelní oblast „biomimetics“ může být charakterizována jako napodobení dobrého designu z přírody. Cílem je v každém případě vytvořit „ne-biologickou“ cestou materiál velmi podobný přírodnímu.

7.4 Biodegradace (biologick˝ rozklad) Biodegradace je proces, při kterém jsou organické látky odbourávány živými organismy. Tento pojem je často používán ve vztahu k ekologii, nakládání s odpady a ochraně životního prostředí. Organické materiály mohou degradovat (i) aerobně – při působení kyslíku, nebo (ii) anaerobně – bez působení kyslíku. Biodegradabilní materiály jsou zpravidla organické materiály, jako například rostlinné a živočišné hmoty získané původně z živých organismů, nebo umělé materiály, natolik podobné přírodním, aby mohly být využity mikroorganismy. Některé mikroorganismy mají úžasnou přirozenou schopnost transformovat nebo akumulovat obrovskou paletu sloučenin, včetně uhlovodíků (např. olej), polychlorovaných bifenylů (PCB), polyaromatických uhlovodíků, farmaceutických přípravků, radionuklidů a kovů. Metabolity produkované plísněmi a bakteriemi způsobují degradaci samotného polymeru. Enzymy, jako je například peptidáza, mohou štěpit polyamidovou vazbu, a dokonce i vazbu esterovou. Při mikrobiální degradaci plastů se zkrácenou životností dochází k těmto chemickým pochodům: 162

2 dil kap 7_8.p65

162

23.7.2008, 13:45

(1) Dehydrogenace polymerů a adice vody, vznik alkoholů, které jsou oxidovány na mastné kyseliny. (2) Adice volného kyslíku za vzniku hydroxyperoxidu, který se rozpadá, a produkty reagují za vzniku alkoholů a dalších sloučenin, jež jsou odbourávány až na octovou nebo propionovou kyselinu. (3) Celulóza a některé termoplasty jsou přes pyruvát a acetylkoenzym-A převáděny do trikarboxylového cyklu. Vznikají tak kyselina citronová, jantarová, fumarová, jablečná atd. Biodegradace může být zjišťována různými způsoby. Aktivita aerobních mikroorganismů může být měřena množstvím kyslíku, který je v procesu spotřebován, nebo množstvím oxidu uhličitého, který je vyprodukován (DR4 test – 4-day dynamic respiration index). Biodegradace při anaerobních procesech může být hodnocena množstvím vzniklého metanu nebo jeho směsi (BMP 100 test – 100 day biogenic methane potential test). Biodegradace polymerních materiálů může probíhat několik týdnů i mnoho desítek let, je při ní produkován CO2 a voda. Velmi výmluvná je v tomto směru následující tabulka: Typ materi·lu

ÑDoba rozpaduì

BavlnÏn˝ hadr

1ñ5 mÏsÌc˘

PapÌr

2ñ5 mÏsÌc˘

Ropa

3ñ14 mÏsÌc˘

PomeranËov· slupka

6 mÏsÌc˘

VlnÏnÈ ponoûky

1ñ5 let

CigaretovÈ nedopalky

1ñ12 let

Plastem potaûenÈ papÌrovÈ krabice na mlÈko

5 let

KoûenÈ boty

25ñ40 let

NylonovÈ textilie

30ñ40 let

HlinÌkov· plechovka

80ñ100 let

SklenÏn· lahev

1 milion let

Tabulka 7.1: Biodegradace polymernÌch materi·l˘ Různé přírodní, syntetické a biosyntetické polymery jsou biodegradabilní a produkty jejich rozkladu nezatěžují životní prostředí. Polymery, jejichž hlavní řetězec je vystavěn z vazeb C-C, jsou nebiodegradabilní, zatímco heteroa163

2 dil kap 7_8.p65

163

23.7.2008, 13:45

tom v řetězci zajišťuje polymeru biodegradabilitu. Biodegradabilita může být vnesena do polymeru uvážlivou adicí chemických vazebných seskupení, jako jsou mezi jinými anhydridy, estery nebo amidové vazby. Mechanismem degradace je hydrolýza nebo enzymatické štěpení hlavního polymerního řetězce. Mikroorganismy mohou vstřebat a někdy též strávit polymery, a tím iniciovat mechanické, chemické nebo enzymatické stárnutí.

7.5 Biokompatibilita Co se rozumí pojmem biokompatibilita? Biokompatibilita je schopnost materiálu zajistit přiměřenou odezvu hostitele při speciální aplikaci (Williams, 1999). Kritika této definice je často spojena se skutečností, že nelze jednoduchým testem určit, který materiál je biokompatibilní a který ne. Skutečností je, že hemostáza, imunitní reakce a hojící schopnost organismu jsou tak komplikované, že je nelze shrnout do jednoho testu. Někdy se uvádí, že biokompatibilita je hodnocena na velkých bakteriích v in vitro testech podle ISO 10993. Tyto testy však neurčují biokompatibilitu materiálu, ale představují důležitý krok k testům na zvířatech. Finálně směřují ke klinickým testům pro určení biokompatibility v dané aplikaci, jako je implantát nebo transport léčiv. Donald definuje biokompatibilitu jako vlastnost materiálu, při které nejsou vykazovány toxické nebo škodlivé efekty v biologickém systému. Tato definice však nezahrnuje ani žádoucí nebo pozitivní interakce mezi hostitelovou tkání a biomateriálem. Při hodnocení biokompatibility je velmi důležitý faktor času, proto se rozlišuje biokompatibilita (i) dlouhodobých, (ii) krátkodobých implantátů a (iii) biokompatibilita produktů tkáňového inženýrství. (i) Biokompatibilita dlouhodobých implantátů vyjadřuje schopnost implantátu začlenit se v prostředí hostitele, aniž by docházelo k vyvolání nežádoucích lokálních nebo systémových efektů. (ii) Biokompatibilita implantátů pro krátkou aplikaci se týká medicínských zařízení umístěných záměrně mimo kardiovaskulární systém za účelem přechodné diagnostiky nebo s terapeutickým záměrem. Vyjadřuje schopnost implantátu vykonávat zamýšlenou funkci bez krevního proudění, přičemž interakce s krví je jen minimální. Zároveň nebude docházet k nekontrolované aktivaci buněčných nebo plazmových proteinových kaskád. (iii) Biokompatibilita produktů tkáňového inženýrství (scaffoldů nebo matrix) se týká jejich schopnosti podporovat příslušnou buněčnou aktivitu, která zahrnuje podporu molekulárním a signálním systémům za účelem optimalizovat regeneraci tkáně. Nesmí při tom docházet k nežádoucím efektům 164

2 dil kap 7_8.p65

164

23.7.2008, 13:45

v buňkách, ani nesmí být vyvolána nežádoucí lokální nebo systémová odezva v případném hostiteli. V těchto definicích je kompatibilita vztažena více k vlastnímu implantátu než k materiálu. Toto jsou závěry z konference (Sorento 2005, September 15– 16), která pojednávala mimo jiné o biomateriálových definicích. Biokompatibilita umělých materiálů a lidského těla je velmi komplikovaný proces, který zahrnuje disciplíny náležející tradičně k lékařské vědě, nauce o površích, k materiálovým naukám a molekulární biotechnologii. Jestliže je materiál umístěn do organismu, okamžitě je atakován jeho povrch. Během několika milisekund po umístění implantátu do organismu se utváří na jeho povrchu biovrstva obsahující vodu, proteiny a další biomolekuly z fyziologických tekutin. Buňky z okolních tkání následně migrují do prostoru kolem implantátu, aby stimulovaly cytokinezou a růstovými faktory vznikající biovrstvu. Interakce mezi povrchem implantátu a buňkami je zprostředkována právě touto biovrstvou. voda ~1 nm

proteiny ~2ñ50 nm

buÚky ~µm

Bio-vrstva

1 µm

Hydrat. protein. vrstva

100 nm 10 nm

Oxid tantalu Tantal

1 nm

Obr. 7.1: Biomolekul·rnÌ soutÏû o povrch (P¯evzato z: http://www.inano.dk/sw2495.asp) [on-line, 9. 1. 2008]

Chemické a topografické vlastnosti povrchu implantátu silně ovlivňují vlastnosti vrstvy. Tomuto vlivu je třeba dobře rozumět, aby mohla být optimalizována biokompatibilita. Interval od nanometrů do mikrometrů je charakteristická vzdálenost, kde se realizují vzájemné interakce mezi proteiny, buňkami a povrchem implantátu. Neméně důležité jsou ale vlastnosti buněk, tj. zejména jejich schopnost komunikace přes extracelulární matrici (extracelular matrix, ECM) 165

2 dil kap 7_8.p65

165

23.7.2008, 13:45

molekulárními signály. V průběhu hojení tkáně kontroluje množství bioaktivních signálů formování buněk a některé proteiny jsou schopny stimulovat hojení v blízkosti implantátu. Všechny tyto mechanismy přispívají k odezvě tkáně na implantát a ovlivňují stěžejní fakt, zdali tělo implantát přijme, či nikoliv. Velikost povrchu implantátu se podílí zásadním způsobem na jeho přijetí či nepřijetí organismem. Vysoký poměr povrchu ku objemu implantátu, jeho porozita, atd. vyvolávají vyšší činnost mikrofágů než hladká komponenta ze stejného materiálu.

7.6 Imunita a aktivita leukocyt˘ Je třeba si uvědomit, že každá podpůrná tkáňová struktura (scaffold) vložená do živého organismu je cizorodý materiál, a tudíž vyvolává okamžitou odezvu organismu, i když je tato struktura vytvořena z biokompatibilního materiálu. To je přirozený důsledek imunity, základní vlastnosti organismu, která chrání jeho integritu před cizími vlivy, zvláště mikroorganismy, které pomocí buněk (lymfocytů, makrofágů aj.) a protilátek (imunoglobulinů) zneškodňuje. Imunitu rozlišujeme přirozenou, což je soubor fylogenetických starých reakcí v organismu přítomných a využívaných již od narození, které nevyžadují předchozí zkušenost s antigenem (fagocytóza, systém komplementu a zánět). Imunita získaná (specifická) je schopnost organismu specificky reagovat na cizorodý materiál antigenní povahy; je vázána na přítomnost specializovaných buněk, T a B lymfocytů a jejich vlastností, produktů a vzájemné součinnosti; výsledkem reakcí imunity je zahubení mikroorganismů, vyloučení cizích antigenně odlišných i vlastních poškozených a odcizených buněk; imunita získaná může být aktivní a pasivní. Imunita buněčná je vytvářena T lymfocyty a podílí se zejména na přímé likvidaci cizorodých organismů a buněk; je důležitá při obraně proti některým virům, plísním (mykózám), bakteriím žijícím uvnitř buněk (bakterie tuberkulózy), nádorům a podílí se též na eventuálním odvržení transplantovaných orgánů; mimo to reguluje další imunitní reakce. Imunita humorální (protilátková), její podstatou je tvorba protilátek (imunoglobulinů) plazmatickými buňkami vznikajícími z B lymfocytů; uplatňuje se u mnoha bakteriálních infekcí, viróz, chrání před bakteriálními toxiny; oba systémy pracují ve vzájemném propojení a patří k tzv. specifické imunitě, která je namířena proti přesně definovanému antigenu na základě jeho rozeznávání; v obraně proti infekci se však uplatňuje i tzv. nespecifická imunita (například fagocytóza komplement), která působí do jisté míry „naslepo“ proti cizímu, a umožňuje tak obranu organismu ještě před vytvořením specifických protilá166

2 dil kap 7_8.p65

166

23.7.2008, 13:45

tek nebo buněk přesně namířených k likvidaci vetřelce; je propojena s imunitou specifickou, protože celý imunitní systém funguje jako celek; protilátky v krevním oběhu – imunoglobuliny – se vyrábějí v kostní dřeni v lymfocytech B a v plazmatických buňkách; lymfocyty T se nacházejí v lymfatických uzlinách a v prvních letech našeho života řídí jejich činnost brzlík. Imunita zajišťovaná lymfocyty B. Imunoglobuliny jsou vytvářeny plazmatickými buňkami vznikajícími z B lymfocytů po setkání s cizorodým materiálem – antigenem. Imunoglobuliny se skládají ze dvou řetězců aminokyselin, které leží vedle sebe; oba řetězce se vyrábějí nezávisle na sobě a spojují se dohromady teprve těsně před tím, než celá molekula imunoglobulinu opustí buňku; imunoglobuliny se liší v pořadí aminokyselin na jednom konci lehkých řetězců a na základě těchto rozdílů se řadí do pěti tříd: igA, igG, igD, igE, igH (ig znamená imunoglobulin); imunoglobuliny jsou vlastně protilátky. Imunita zajišťovaná lymfocyty T, což jsou buňky napadající viry a cizorodé tkáně; jsou odpovědné za rejekci (nepřijetí, odhojení) transplantovaných orgánů, ale i za imunitu vůči nádorům; tvoří se v lymfatických uzlinách a v dětství jsou řízeny prostřednictvím brzlíku; lymfocyty T zabíjejí vetřelce všech druhů a ovlivňují činnost plazmatických buněk; rozpoznají-li vetřelce, vrátí se nejdříve do lymfatické uzliny a předají signál ostatním vyvíjejícím se lymfocytům; lymfocyty T i B si vlastnosti vetřelce pamatují pro případ, že by se s ním v budoucnu opět setkaly. Brzlík je nedílnou součástí imunitního systému. Slouží jako „škola“ pro bílé krvinky vytvořené v kostní dřeni. V brzlíku se školí tzv. T-lymfocyty, které sehrávají klíčovou roli v obraně organismu před choroboplodnými zárodky a dalšími nevítanými vetřelci.

Obr. 7.2: T-lymfocyt prodÏl·v· ökolenÌ v brzlÌku. Pokud vÏdci odstranÌ brzlÌk z hrudnÌku, chodÌ T-lymfocyt na kvalifikaËnÌ kurz do krku. (P¯evzato z: http://www.osel.cz/index.php?clanek=1751 http://www.osel.cz/index.php?clanek=1751) [on-line: 8. 1. 2008] 167

2 dil kap 7_8.p65

167

23.7.2008, 13:45

Většina savčích buněk přežívá a proliferuje (nově se tvoří) pouze tehdy, jsouli ukotveny k nějakému substrátu. V organismu k tomuto účelu slouží mezibuněčná hmota – extracelulární matrice (ECM), která obsahuje adhezivní bílkoviny (fibronektin, laminin a různé typy kolagenů), ke kterým jsou buňky uchyceny prostřednictvím vazby svých transmembránových glykoproteidů (integrinů). Interakce povrchu ECM s integrity neslouží pouze k pasivnímu ukotvení buněk, ale dává také buňkám signály, které ovlivňují jejich další chování. Interakce umělého povrchu s biologickým prostředím se vždy zúčastní slané vodné tekutiny, které jsou více či méně obsažené v každém biologickém prostředí. Při použití v organismu nesmí chemická a elektrochemická reaktivita materiálu působit toxicky, stejně tak i látky uvolňující se extrakcí a produkty degradace případné eroze. Uplatnění nacházejí zejména takové materiály, které jsou netečné k působení elektrolytů a málo náchylné k oxidačně redukčním reakcím, jako jsou vzácné kovy (platina, zlato, titan), keramika a polymery bez vyextrahovatelných příměsí, a zároveň odolné vůči působení vody (polyuretany, polyolefiny, polyestery, fluorované polymery, silikon, některé hydrogely atd.). Vlastnosti syntetického povrchu jsou ovlivněny svou kompozicí a chováním adsorbované vrstvy bílkovin. Adsorpce bílkovin na povrchy substrátu je častým zdrojem potíží při praktických aplikacích. Vlivem depozice bílkovin dochází ke snižování účinnosti porézních membrán a separačních kolon. Pro takové aplikace jsou vyžadovány materiály odolné proti usazování bílkovin (antifouling). Povrchy jsou upravovány vrstvou hydrogelů nebo polyetylenoxidu.

7.7 Kontakt s krvÌ Nejprve budou zopakována základní fakta o životodárné tekutině – krvi. Krev tvoří asi 8 % hmotnosti těla. Tekutá součást krve (plazma) představuje asi 55 % z celkového objemu krve a obsahuje důležité látky, zejména proteiny, minerály, produkty trávení a metabolismu cukrů, tuků, bílkovin a řadu dalších látek. Kromě toho jsou v plazmě rozptýleny buněčné elementy, krvinky a krevní destičky: Červené krvinky (erytrocyty) vznikají v kostní dřeni a ke svému vzniku potřebují železo, vitamin B12 a jiné látky. Jejich tvorbu podněcuje erytropoetin, látka, která vzniká v ledvinách. Intenzita její tvorby závisí na parciálním tlaku (obsahu) kyslíku v krvi. Objem červených krvinek a ostatních buněk vyjádřený v procentech objemu krve se nazývá hematokrit. Jeho hodnota je dána počtem a objemem buněčných elementů a tvoří 40–45 %. Červené krvinky obsahují červené krevní barvivo (hemoglobin), které přenáší kyslík do tkání. Jeho normální hodnoty jsou průměrně 15 g na 100 ml krve. Rozpad červených krvinek 168

2 dil kap 7_8.p65

168

23.7.2008, 13:45

s uvolněním hemoglobinu do okolního prostředí označujeme termínem hemolýza. Také bílé krvinky (leukocyty) se tvoří v kostní dřeni, je jich 6–9 tisíc v mm3 a uplatňují se v boji proti infekci, při rozpoznávání vlastních struktur, struktur cizích či změněných a při odstraňování cizích látek (imunitní reakce). Bílé krvinky jsou důležité při hojení infikované rány. Nejpočetnější jsou polymorfonukleární leukocyty, které obklopí vniknuvší mikroby a zabrání jejich rozšířením do okolní tkáně. Část leukocytů hyne a tvoří hnis. Na jejich místo však nastupují další leukocyty tak dlouho, až je infekce zdolána. Vnikneli antigen do krve, vyvolá hromadění lymfocytů, které na svou povrchovou membránu vážou speciální protilátky. Ty pak zůstávají v krvi po dlouhou dobu, po překonání některých infekcí i celý život. Vnikne-li do těla znovu stejný antigen, připravené protilátky ho neutralizují. Původ v kostní dřeni mají i krevní destičky (trombocyty). Je jich 200–400 tisíc v mm3 a uplatňují se při krevním srážení.

55 % plazma 90 % voda 7 % proteiny plazmy 3 % ostatnÌ

10 ml

5 ml

45 % formovanÈ elementy: < 1 % bÌlÈ krvinky a destiËky > 99 % ËervenÈ krvinky

Obr. 7.3: Hematokrit ñ objem formovan˝ch krevnÌch element˘ vyj·d¯en˝ v†procentech celkovÈho mnoûstvÌ krve (upraveno podle: Wilmore J. H., 2004)

Krev je tedy tvořena krevní plazmou, ve které jsou suspendovány krevní buňky (červené krvinky – erytrocyty, bílé krvinky – leukocyty, krevní destičky – trombocyty). Odseparováním krevních buněk z krve odstředěním nebo filtra169

2 dil kap 7_8.p65

169

23.7.2008, 13:45

cí se získá krevní plazma o složení: 92 % vody, 6,5 % bílkovin (tab. 7.2), 0,8 % solí, 0,6 % lipidů, 0,1 % glukózy. HlavnÌ plazmatickÈ bÌlkoviny

Obsah v†jednom ml

BÌlkoviny celkem

75ñ130 mg/ml

Albumin

35ñ50 mg/ml

Globuliny

20ñ35 mg/ml

Fibrinogen

2,0ñ4,0 mg/ml

Tabulka 7.2: HlavnÌ plazmatickÈ bÌlkoviny Bezprostředně po kontaktu krve s cizím povrchem (povrch odlišný od neporušeného endotelia stěny cévy) dochází k adsorpci plazmatických bílkovin, k adhezi, aktivaci a agregaci (shlukování, seskupování) krevních destiček. Aktivace specifických plazmatických bílkovin vyvolaná kontaktem s cizím povrchem a aktivace destiček spouštějí kaskádu molekulárních reakcí mezi vzájemně se aktivujícími koagulačními faktory. Na konci koagulační kaskády je přeměna protrombinu cirkulujícího v krvi na proteolytický enzym trombin, který odštěpením čtyř polypeptidů transformuje fibrinogen, bílkovinu obsaženou v krvi, na fibrin. Molekuly fibrinu se vzájemně spojují tak, že koncové oblasti interagují se středovou doménou přilehlé molekuly, spojují se do vláken, a tak vytvářejí síť. Výsledný trombus obsahuje agregáty krevních destiček a jiných krevních buněk zachycených ve fibrinové síti. Při poškození cévy slouží trombus jako krevní zátka, která zastaví krvácení. Samotná koagulační kaskáda může probíhat i bez účasti krevních destiček, například in vivo v krevní plazmě. Oddělením fibrinového gelu od krevní plazmy po koagulaci získáme krevní sérum, tekutinu obsahující plazmatické bílkoviny bez přítomnosti fibrinogenu a některých koagulačních faktorů, spotřebovaných při koagulaci nebo zachycených ve fibrinovém gelu. Zatímco koagulace po poranění je životně důležitým mechanismem, koagulace krve aktivovaná kontaktem s umělým materiálem působí problémy při chirurgických zákrocích. Pro potlačení koagulace jsou do krve aplikovány antikoagulanty, nejčastěji mukopolysacharid heparin, který katalytickým způsobem zesiluje inhibici trombinu antitrombinem, přítomným v krvi. Při odběrech krve se koagulace blokuje přidáním citrátových anionů, které v krvi vyvážou ionty Ca2+, nutné pro některé z procesů koagulační kaskády. Schopnost koagulace může být v tomto případě obnovena zpětným přidáním iontů Ca2+. Riziko tvorby trombů je zvlášť vysoké při styku krve s velkým povrchem umělých materiálů v mimotělním krevním oběhu při operacích. Tvor170

2 dil kap 7_8.p65

170

23.7.2008, 13:45

ba trombů znemožňuje náhradu poškozených cév o malém průměru polymerními implantáty. Na následujícím obrázku (obr. 7.4) je zjednodušeně znázorněna tvorba krevní sraženiny a účinek antigenu v krevním řečišti.

KrevnÌ sraûenina zn·m· takÈ jako trombus pod elektronov˝m mikroskopem. »ervenÈ krvinky (erytrocyty) jsou zachyt·v·ny do svÏtlÈ sÌtÏ fibrinu, vznikajÌcÌho z nerozpustnÈho proteinu.

Obr. 7.4: Tvorba krevnÌ sraûeniny (P¯evzato z: www.21stoleti.cz/fotky/small/1098254376.jpg) [on-line: 8. 1. 2008]

Krevní srážlivost je výsledkem složitých řetězových reakcí, jichž se účastní různé látky v krvi. Vzájemným působením krevních destiček, plazmy a látek obsažených v tkáních se tekutá krevní bílkovina fibrinogen změní na vláknitý fibrin, který vytvoří na ráně jakousi síť. Fibrinogen obíhá v krevní plazmě. V okamžiku zranění se krevní destičky hromadí v ráně a vytékající krev se začne srážet. Fibrinová vlákna vytvoří v místě poranění síť. Krvinky a destičky se nadále zachycují na fibrinovém pletivu. Vznikne rosolovitá hmota, která se smrští, vytlačí sérum, takže se utvoří krevní sraženina, běžně označována jako strup.

7.8 Odezva organismu na implant·t Zánět je normální fyziologickou reakcí na operační trauma a invazi cizího materiálu. Po odeznění akutní fáze se často objevuje chronický zánět tehdy, působí-li trvale cizí substance. Úlohou zánětu je neutralizovat nebo izolovat poškozujícího činitele. Často se vytváří granulační tkáň a dochází k opouzdření cizího tělesa. Zánět (inflammation) je obranná reakce tkáně a orgánu na poškození (infekce, fyzikální a chemické vlivy). Klasické příznaky zahrnují bolest, otok, 171

2 dil kap 7_8.p65

171

23.7.2008, 13:45

zarudnutí, zteplání a poruchu funkce. Tyto příznaky je možné pozorovat například na kůži postižené zánětem po poranění a proniknutí bakteriální infekce. Dochází k rozšíření přívodních cév a ke zvýšenému úniku tekutiny z cév (exsudaci) s tvorbou zduření. Spolu s tekutinou pronikají do místa zánětu i bílé krvinky (infiltrace). Mechanismus těchto změn spočívá v působení látek, které se při zánětu uvolňují (tzv. mediátory zánětu) a z nichž některé mají i celkové účinky na organismus (zvýšená teplota, nechutenství apod.). Podle závažnosti zánětu může docházet k poškozování buněk a tkání s různě těžkou poruchou funkce orgánu. Po odeznění vyvolávající příčiny popsané změny ustupují, někdy však vzniká pozánětlivé poškození tkáně, často spojené s nadměrnou tvorbou vaziva. Záněty mohou mít u řady vnitřních orgánů odlišný charakter od popsaného klasického průběhu (může převládat infiltrace, poškození buněk, bujení vaziva atd.). Zánět lze dělit podle různých kritérií. Podle průběhu na zánět akutní a chronický, podle typu infiltrace bílými krvinkami na hnisavý (akutní zánět způsobený bakteriemi s nahromaděním neutrofilů) a lymfocytární (chronický nebo virový zánět s infiltrací lymfocyty). Čtyři z pěti klasických známek zánětu popsal již v 1. stol. po Kr. římský lékař Aurelius Celsus: rubor (zarudnutí), turgor (zduření), calor (zteplání), dolor (bolest). Místo „turgor“ se někdy uvádí tumor.

Aulus Cornelius Celsus (25 p¯ed Kr.ñ50), jeden z†nejvÏtöÌch ¯Ìmsk˝ch lÈka¯sk˝ch spisovatel˘, autor encyklopedie pojedn·vajÌcÌ o zemÏdÏlstvÌ, v·leËnÈm umÏnÌ, rÈtorice, filozofii, z·konu a medicÌnÏ, z nÌû vöak z˘staly pouze medicÌnskÈ zlomky. Jeho dÌlo De medicina, nynÌ povaûovanÈ za jedno z†nejvÏtöÌch klasick˝ch dÏl, bylo souËasnÌky opomÌjeno.

Akutní zánět trvá od desítek minut až po několik dnů. Je charakteristický exudací tekutin, plazmy, proteinů a leukocytů (neutrofilů). Následuje ho aktivace neutrofilů a makrofágů, aby mohlo dojít k rozeznání, připojení a ke konečnému pohlcení a degradaci cizorodého tělesa. Chronický zánět je dlouhodobý, trvá mnoho dnů, zachvacuje okolní tkáně a proniká do krevního řečiště. Lymfocyty a plazmové buňky se zapojují do imunitní reakce – spouští se produkce protilátek. 172

2 dil kap 7_8.p65

172

23.7.2008, 13:45

Konečné stadium odezvy organismu na cizorodé těleso a hojící proces je fibrózní enkapsulace (opouzdření). Porézní struktury jsou z toho vyloučeny, protože tkáň jimi může prorůstat. Hojení tkáně zahrnuje dva oddělené procesy: (i) nahrazení tkáně parenchymálními buňkami stejného typu, nebo (ii) nahrazení pojivou tkání, která představuje vlákenné kapsle. Faktory implantátu, které ovlivňují jeho přijetí či nepřijetí organismem, jsou: • Objemové vlastnosti: chemické složení, struktura, čistota a přítomnost vyluhovatelných substancí • Povrchové vlastnosti: hladkost, geometrie, hydrofilnost, povrchový náboj • Mechanické vlastnosti: elastický modul, stabilita, fixace • Dlouhodobá strukturální celistvost: odolnost vůči únavě, lomovému zatížení, opotřebení, tečení (creep) a korozi za napětí Implantát může ovlivňovat okolní tkáně dvěma způsoby: (i) lokálně – např. adsorpcí proteinů, adhezí krevních destiček, adhezí leukocytů, toxicitou, enkapsulací, zjizvením, infekcí, tumorogenezí, nebo (ii) systémově – např. embolizací (uzavření krevního řečiště), přecitlivělostí, uvolňováním částí implantátu do krevního oběhu, vliv na lymfu (míza). Přijetí implantovaného materiálu je také významně ovlivněno samotným hostitelem (příjemcem). Vliv má jeho věk a zdravotní stav, úroveň jeho imunologických reakcí a metabolismu, míra poškození při chirurgickém zákroku. Z biologických vlivů příjemce na implantát je nutné zmínit absorpci substancí z tkání, enzymatickou degradaci a kalcifikaci.

7.8.1 Biologick· odezva Za biologickou odezvu na implantát se označují nepříznivé reakce organismu a krátkodobé i dlouhodobé vlivy implantátu na okolí. Jedná se o komplex vztahů, které existují mezi vlastnostmi materiálu a parametry implantátu. Jedním z nich je například interakce s krví, která vyjadřuje korelaci mezi povrchem biomateriálu a krevní kompatibilitou. Bylo vyvinuto několik postupů pro hodnocení netrombogenity povrchu, každý z nich zdůrazňuje určitou vlastnost: texturu povrchu, elektrostatické efekty, kritické povrchové napětí, poměr polárnosti a nepolárnosti, adsorpci plazmových proteinů, „přirozený“ povrch, „modifikovaný“ povrch atd. Studie z poslední doby zahrnují přes padesát významných proměnných. Dominantní prvek v hodnocení interakce mezi cizorodou látkou a organismem je enkapsulace implantátu vlákennou tkání, která vytváří léze (poškození tkáně) označované jako granulom. Trvalý granulom se může přeměnit v nekrózu tkáně, jestliže vnitřní vrstva fagocytu vymírá. Kalcifikace (zvápenatění) a hyperplazie (zvětšení orgánu) jsou další možné efekty. 173

2 dil kap 7_8.p65

173

23.7.2008, 13:45

7.8.2 Sr·ûenÌ krve Srážení krve je hlavním pochodem při zástavě krvácení. Někdy se krevní sraženina (koagulum) vytvoří na stěně cévy i bez poranění vedoucího ke krvácení. Ke zvýšení krevní srážlivosti dochází při poškození cévní výstelky (endotelu), při zvýšení hladin faktorů krevního srážení, které se tvoří především v játrech, zahuštění krve (hemokoncentrace), při větší ztrátě tekutin a oblenění (zpomalení) rychlosti krevního proudu, například při snížené pohyblivosti, po úraze, operaci či závažnějším onemocnění. Hlavní funkcí krevní srážlivosti je ochrana proti ztrátě krve z cévního systému a znovuobnovení perfúze (průtok krve) po opravě krevního řečiště nebo orgánu. Významnou roli při krevní srážlivosti sehrává bradykinin (typ plazmového hormonu), který způsobuje dilataci (rozšíření) krevních cév, bolest a zvýšení permeability (propustnosti) krevního řečiště.

7.8.3 Mutagenita a karcinogeneze Mutagenita (schopnost určité látky při působení na organismus vyvolat mutaci) a karcinogeneze (vznik zhoubného bujení) jsou nejčastěji vyhodnocovány na experimentálních zvířatech. Syntetické polymery nebo jiné materiály jsou implantovány podkožně a sleduje se vznik sarkomu. Mutageny modifikují genom hostitele, takže materiál může být klasifikován jako genotoxický. Je široce akceptováno, že karcinogenní chování má původ v mutaci geonomu.

Obr. 7.5: Salmonella typhimurium

Obr. 7.6: Escherichia coli

P¯evzato z: www3.niaid.nih.gov [on-line 11. 1. 2008]

P¯evzato z: www3.niaid.nih.go [on-line 11. 1. 2008]

174

2 dil kap 7_8.p65

174

23.7.2008, 13:45

Faktory, které ovlivňují frekvenci vzniku tumoru a délku latentní periody, jsou shrnuty následovně: genetická rozdílnost a různá náročnost testů, rozdíly v pohlaví, nutriční stav testovaného zvířete (vysoký obsah proteinů snižuje frekvenci vzniku tumoru a zvyšuje latentní periodu), velikost a tvar implantátu (frekvence vzniku tumoru je proporční k celkové ploše implantátu). Příkladem testu mutagenity je tzv. Ames test, který používá pro mutaci bakterie buněčné linie Salmonella typhimurium nebo Escherichia coli, které potřebují pro svůj růst histidin. Buňky jsou umístěny do kultury bez histidinu, jenom ta látka, která umožní buňkám mutaci do stavu nezávislého na histidinu, dovolí buňkám opět růst.

7.8.4 Cytotoxicita Cytotoxicita je schopnost zapříčinit smrt nebo poškození na buněčné úrovni v důsledku přímého rozpadu buněk nebo změněným buněčným metabolismem. Dochází při ní k inhibici enzymatické aktivity, ke změnám v propustnosti buněčných membrán a dalším subletálním efektům. Příkladem může být eluční test, jehož cílem je určit dávku a změny v buněčném růstu nebo proliferaci a srovnat je s neovlivněnými buňkami v intervalu 24–78 hodin. Speciální protokoly k těmto testům lze nalézt v normách ISO (International Organization for Standardization), ASTM (American Society for Testing and Materials) nebo NIH (National Institute of Health).

7.8.5 Hemokompatibilita Hemokompatibilitou se rozumí slučitelnost cizorodého materiálu s krví z pohledu jeho hydrofilnosti, hydrofobnosti nebo trombogenity. Lze ji hodnotit pomocí testu, v němž je hodnocen vliv materiálu na procesy krevní koagulace, vznik trombů a hemolýzy (rozpad červených krvinek). Je založen na inkubaci materiálu nebo jeho extraktu s červenými krvinkami izolovanými z králíků, myší nebo krys po dobu tří hodin při současném protřepávání z důvodu zajištění kontaktu s krví. Množství hemoglobinu uvolněného do tekutiny je určováno spektrofotometricky a je vyjadřováno jako procento hemolýzy. Při hodnocení vlivu materiálu a jeho povrchu na tvorbu sraženin je celý hodnocený materiál vystaven působení krevního séra. Turbulentní proudění krve může zvýšit hemolýzu, ale i tvorbu krevních sraženin. Sraženina vzniká vlivem adherujících krevních destiček. Kvantitativně může být vyjádřena jako jejich počet vztažený na jednotku plochy po expozici implantátu krvi.

175

2 dil kap 7_8.p65

175

23.7.2008, 13:45

7.9 Testy na zv̯atech Testy na zvířatech bývají často považovány za velmi kontroverzní. Etická nepřijatelnost pokusů na zvířatech pramení z faktu, že zvířata jsou stejně jako člověk schopna pociťovat bolest. Ocitáme se tedy před zásadní otázkou, zda máme vůbec právo způsobovat cítícím bytostem utrpení jen pro svůj blahobyt. Dnes již existuje množství alternativních metod, které dokážou nahradit pokusy na zvířatech. Byly také vyvinuty počítačové a matematické modely, které znázorňují orgány, tkáně a buňky živého těla. Tyto modely zobrazují nebo matematicky simulují například vzájemné chování chemikálie a lidského těla.

Obr. 7.7: Pro testy na zv̯atech jsou pouûÌv·ni r˘znÌ savci (P¯evzato z: http://www.nesehnuti.cz/cz/tiskoviny/pokusy.htm) [on-line 9. 1. 2008]

Tyto in vivo testy jsou mnohem dražší a komplikovanější, avšak pro aplikaci nového materiálu v humánní medicíně jsou nepostradatelné. Používají se tzv. nefunkční testy, což je první studie vlivu interakce implantátu s fyziologickým prostředím, nespecifické toxicity nebo zánětlivé reakce, speciálně v místech, jako je cornea (rohovka) a cerebrál cortex (mozková kůra). Histologická analýza umožní vyhodnocení stupně nekrózy/degenerace, fibrózy a míry zánětu. Mezi tzv. funkční testy, které jsou mnohem komplexnější, patří kupříkladu hodnocení měkkosti tkáně nebo specifické fyziologické in vivo testy.

176

2 dil kap 7_8.p65

176

23.7.2008, 13:45

7.9.1 StruËn˝ v˝Ëet test˘ a jejich z·kladnÌ charakteristika • Akutní toxicita se zjišťuje orálním nebo dermálním testem LD 50 (střední smrtelná dávka – Median Lethal Dose). Představuje jednu dávku látky, kterou lze považovat za dávku způsobující uhynutí 50 % pokusných zvířat. Používají se krysy, králíci, morčata a další savci. Pro každou hladinu testované látky je potřeba nejméně deset zvířat. • Genotoxicita je testována změnami v DNA, chromozómové struktuře nebo v genovém poškození, které vyúsťuje v trvalou dědičnou změnu funkce buňky. • Testy karcinogenity určují, které látky, jež se mohou uvolňovat z biomateriálů, mohou vyvolat přecitlivělost, která má za následek zarudnutí (erythema) a otok (edem). • Při testu akutní dermální dráždivosti se zkoušená látka aplikuje na pokožku pokusného zvířete. Sleduje se vratnost nebo nevratnost poškození tkáně a případné zánětlivé procesy. Pro testy jsou doporučováni bílí králíci. Hodnotí se vytvořené záněty, strupy a otoky. • Při zjišťování teratogenity se chemická látka aplikuje březím samicím po dobu asi deseti dnů. Samice se poté usmrtí a hodnotí se změny související s reprodukcí a vývojem plodu. Používá se vždy několik desítek zvířat, a to především krysy, myši, králíci.

7.10 KlinickÈ testy Klinické studie jsou prováděny kvůli potvrzení bezpečnosti a efektivity aplikace nového materiálu. Je však nutno zdůraznit, že před jakoukoliv aplikací u nemocných pacientů musí být nejdříve provedeno testování v laboratoři. Pouze po potvrzení bezpečnosti léku v laboratoři, popřípadě na laboratorních zvířatech, může dojít k testování v klinických studiích. Pro testování nových biomedicinálních implantátů se využívá standardní praxe, kde se provádí tzv. zaslepený pokus s aplikací placeba. Není možné provádět standardní dvojitě zaslepený pokus, protože nelze zajistit zcela totožný pár příjemců. Klinické pokusy jsou rozděleny do tří fází: • Fáze I – biomateriál je testován na malé skupině lidí (asi 60–80 lidí). • Fáze II – testy probíhají na větší skupině (asi 100–300 lidí). • Fáze III – probíhá srovnání v efektivnosti nové léčby se standardní metodou (asi 1000–3000 lidí). 177

2 dil kap 7_8.p65

177

23.7.2008, 13:45

Na konci studie, která často zahrnuje několik stovek a někdy i tisíc pacientů, jsou shrnuty všechny výsledky. Pokud jsou uspokojivé a aplikace nového materiálu je dobře tolerována, je tento materiál zaregistrován a stane přístupným pro lékaře v denní praxi.

7.11 P¯ehled d˘leûit˝ch definic a pojm˘ Antigen (zkr. Ag) – látka, kterou je tělo schopno rozeznat na základě její struktury jako cizí a proti níž je schopno vyrobit protilátky. Jako a. se chovají mikroorganismy, cizorodé bílkoviny podané do krve, cizí orgány a krevní skupiny aj. I v těle je řada a., ty však vlastní systém za cizí nepovažuje a nereaguje proti nim (naopak je k některým dějům vyžaduje). Některé a. jsou společné všem lidem (jakožto biologickému druhu), jiné jsou jedinečné pro každého člověka. To je důležité z hlediska transplantací, kdy je třeba najít jedince, kteří mají a. co nejpodobnější. B lymfocyt (B buňka) – druh lymfocytu (bílé krvinky), který se podílí na humorální imunitě (tvorbě protilátek) a na některých dalších imunitních funkcích. Cyto – označuje vztah k buňce. Cytochrom – bílkovina s navázaným hemem, která má vlastnosti enzymu. Různé cytochromy se uplatňují v buněčném dýchání, při zneškodňování cizorodých látek či léků (cytochromy P 450) a syntéze některých důležitých látek. Cytokineze – oddělení cytoplazmy dvou dceřiných buněk, které po telofázi mají již samostatné jádro, ale jejich cytoplazma je ještě spojená. Depotní – uložený, uskladněný. Užívá se pro takové formy léku, které se podají do určitého místa a odtud se pomalu uvolňují. Endoplazmatické retikulum – buněčná organela tvořená systémem membrán uvnitř buňky. Podílí se na tvorbě řady látek v buňce, zejména bílkovin (hrubé či granulární endoplazmatické retikulum ve spojení s ribozomy) a tuků (hladké endoplazmatické retikulum). Endotel – buněčná vrstva vystýlající vnitřek cév. Endotel je aktivní tkání, je důležitý pro ovlivnění hemostázy a rozšíření (vazodilataci) či zúžení cév, produkuje řadu látek, např. oxid dusnatý nebo prostacyklin. Exsudace – pronikání tekutiny z cév při jejich zvýšené propustnosti, zejména při zánětu či alergii. Podílí se na tvorbě otoku (edému). Fagocytóza – pohlcení a zničení cizorodého materiálu, např. bakterie či vlastních poškozených a odumřelých buněk. Je součástí obrany organismu proti infekci (patří k nespecifické imunitě). Schopnost fagocytózy mají některé bílé krvinky – neutrofily a makrofágy 178

2 dil kap 7_8.p65

178

23.7.2008, 13:45

Fibróza – zmnožení vaziva v určitém orgánu na úkor funkční tkáně (parenchymu). Při větším rozsahu vede ke ztuhnutí orgánu a poruše jeho funkce. Vznik fibrózy bývá odpovědí na poškození orgánu (např. na déletrvající zánět), někdy je její vznik nejasný. Fylogeneze – vývoj člověka a jiných organismů. Glutathion – látka důležitá pro udržení přiměřeného oxidoredukčního prostředí v buňkách, tripeptid sestávající z glutamové kyseliny, glycinu a zejména cysteinu, který obsahuje síru. Má zásadní význam například pro udržení hemoglobinu v redukovaném stavu, tj. železa ve dvojmocné formě. Granulační tkáň, granulace – tkáň složená z nově tvořených cév a vaziva, která přerůstá přes poškozená místa (ránu) a vede k jejímu hojení. Granulom – nakupení granulační tkáně, někdy s velkými mnohojadernými buňkami (Langhansovými). Vzniká při chronickém zánětu vyvolaném například některými bakteriemi, cizím tělesem aj. Hem – nebílkovinná část krevního barviva (hemoglobinu), myoglobinu, cytochromů a některých enzymů. Obsahuje atom železa. Z chemického hlediska jde o porfyrin. Jeho syntézy je schopna každá buňka, největší množství se tvoří v kostní dřeni a v játrech. Způsobuje červenou barvu krve. Hemostáza – zástava krvácení. Podílí se na ní cévní stěna (vazokonstrikce a uvolnění některých látek), krevní destičky (trombocyty) a konečně reakce speciálních bílkovin plazmy (koagulačních faktorů). Výsledkem těchto reakcí je přechod krve z kapalného do tuhého stavu a vznik krevní sraženiny (hemokoagulace). Heparin – látka, která snižuje srážení krve (antikoagulační účinek) aktivací antitrombinu. Vzniká například v játrech a v některých bílých krvinkách. Podává se rovněž jako lék u trombózy nebo k její prevenci (tzv. heparinizace). K profylaxi se používá zejména tzv. nízkomolekulární (fragmentovaný) h., který minimálně ovlivňuje normální krevní srážlivost. Hepato- – označuje játra. Před samohláskou má tvar hepat-. Hyperplazie – zvětšení orgánu či jeho části v důsledku zvýšení počtu jeho buněk. Chroma – barva, díky přítomnosti hemu. Imunoglobulin (zkr. Ig) – protilátka, kde termín zdůrazňuje její bílkovinnou povahu (globin). Imunoglobuliny jsou vytvářeny plazmatickými buňkami vznikajícími z B lymfocytů po setkání s cizorodým materiálem – antigenem, proti kterému je následně specializován příslušný imunoglobulin. Inhibice – potlačení, útlum, zabránění. 179

2 dil kap 7_8.p65

179

23.7.2008, 13:45

Inkubace – proces, během něhož se v těle pomnoží cizí infekční mikroorganismus (např. bakterie, virus). Koenzym – nebílkovinná látka, která je nezbytná pro činnost enzymů. Spolu s bílkovinnou součástí (apoenzymem) tvoří plně funkční holoenzym. Krebsův cyklus (cyklus citronové kyseliny, citrátový cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin) – cyklus biochemických reakcí probíhající v mitochondriích a tvořící ústřední část intermediárního metabolismu. Ve spojení s dýchacím řetězcem má zásadní význam pro zisk energie v buňce. Do Krebsova cyklu ústí katabolismus cukrů, tuků a bílkovin, a to zejména v podobě acetylkoenzymu A. Jednotlivé meziprodukty Krebsova cyklu jsou naopak východiskem syntézy (anabolismu) mnoha látek (např. steroidů, porfyrinů). Kyselina glukuronová – kyselina vznikající oxidací glukózy a podobně jako ona velmi dobře rozpustná ve vodě. Umožňuje navázáním (konjugací) vyloučit z těla látky málo rozpustné ve vodě. glukuronová Kyselina je také stavebním prvkem mukopolysacharidů. Leukocyt – bílá krvinka. Rozeznává se několik druhů leukocytů, které se liší jak funkcí, tak místem vzniku a délkou života (neutrofily, eozinofily, bazofily, lymfocyty, monocyty). Jejich funkce obecně souvisí s obranou organismu proti infekci a s imunitou. Léze (laesio) – poškození (postižení, porucha) orgánu či tkáně, které má za následek narušenou funkci (v důsledku chorobného procesu nebo úrazu. Lymfa – míza. Tekutina, která vzniká ve většině orgánů a je z nich odváděna lymfatickými cévami zpět do krve. Tvoří se z tkáňového moku, který vzniká z krve, obklopuje buňky a zabezpečuje jejich výživu. Makrofág – buňka, která je schopna pohlcování (fagocytózy) cizorodého materiálu včetně mikroorganismů. Plní i další významné úkoly v imunitě (produkce cytokinů a prezentace antigenů – srov. APC). Vzniká z bílé krvinky monocytu. Metabolismus – látková přeměna. 1. souhrn veškerých dějů (fyzikálních a chemických), které probíhají uvnitř organismu a které slouží k získání energie a k tvorbě látek potřebných pro činnost organismu (jeho fungování, růst, vývoj apod.). Zahrnuje jak rozklad větších látek na menší za současného uvolnění energie (katabolismus), tak tvorbu složitějších látek, které jsou nutné k výstavbě organismu nebo slouží jako zásobárna energie (anabolismus). Procesy mezi oběma ději se označují jako intermediární metabolismus. Metabolismus patří k základním projevům života. 2. souhrn biochemických přeměn dané látky v organismu (metabolismus tuků, hormonů, léků apod.). 180

2 dil kap 7_8.p65

180

23.7.2008, 13:45

Mikrozomální enzymy – enzymy (zejm. jaterní) účastnící se metabolismu a detoxikace řady látek včetně léků. Jsou vázány na endoplazmatické retikulum. Z něj vznikají při laboratorní preparaci jako artefakt tzv. mikrozomy. K nejdůležitějším mikrozomálním enzymům patří cytochrom P 450. Mitóza – buněčné dělení, při němž z jedné buňky vznikají dvě buňky dceřiné, které mají zcela stejnou dědičnou výbavu. Mukopolysacharidy – skupina sacharidů, které se vyskytují zejména v základní hmotě pojiva, jsou součástí proteoglykanů. Např. kyselina hyaluronová, chondroitinsulfát. Neutrofil – hovor. neutrofilní granulocyt. Druh bílé krvinky (leukocyt), podílí se na obraně proti bakteriální infekci, má schopnost pohlcovat cizorodý materiál (viz fagocytóza, mikrofág) a je součástí hnisu. Parenchym – vlastní funkční tkáň některých orgánů, která je pro každý orgán specifická. Protikladem je podpůrná vazivová tkáň, jež je u různých orgánů podobná. Jaterní parenchym je tvořen jaterními buňkami (hepatocyty), které plní funkce jater. Peptidáza – obecně enzym štěpící bílkoviny nebo peptidy. V užším smyslu enzym odštěpující z bílkovin či peptidů koncové aminokyseliny. Perfúze – průtok krve tkání, orgánem. Dostatečná p. je nezbytná pro jejich správnou funkci, zabezpečuje zásobení kyslíkem, živinami a odplavení zplodin látkové výměny. Placebo – lék, který nemá žádný účinek na příčinu onemocnění ani na jeho příznaky. Přesto však pacient může pocítit úlevu, jestliže mu věří. Proliferace – bujení, novotvoření, růst. Podstatou p. je zvyšování počtu buněk (tzn. dělením, mitózou) v tkáni či orgánu. Pyruvát – sloučenina vznikající v buňce především při metabolismu glukózy. Sarkom – obecné označení pro zhoubný nádor z pojivové tkáně (vazivo, chrupavka, kost), krvetvorné a lymfatické tkáně či svalu. Subletální – nedosahující smrtícího účinku, ale blížící se k němu. T lymfocyt (T buňka) – druh lymfocytu, který se účastní buněčné imunity. Jednotlivé podskupiny T l se podílejí na likvidaci cizorodého materiálu a na řízení imunitních dějů. Telofáze – čtvrtá fáze mitózy, v níž se do původní podoby obnovují jádra dvou dceřiných buněk. Teratogenní – způsobující vznik vrozených vývojových vad a defektů (zrůdností). T. jsou některé choroboplodné zárodky (virus zarděnek, toxoplaz181

2 dil kap 7_8.p65

181

23.7.2008, 13:45

móza), chemické látky či léky, ionizující a rentgenové záření. V době těhotenství je nutné zamezit jejich působení Transdermální – přes kůži. K transdermální aplikaci látek do těla se užívají náplasti. Touto cestou se podává například nitroglycerin nebo nikotin v rámci odvykání kouření (Nicotinell). Xenobiotika – látky, které nevznikají v lidském organismu, ale ovlivňují jej farmakologicky (léky), endokrinologicky či toxikologicky (jedy). X. jsou metabolizována zejména v játrech (srov. detoxikace).

7.12 DoporuËen· a pouûit· literatura Brynda, E. (2007), Integrace biologických a nebiologických systémů – nanobiotechnologie, [on-line, 3. 1. 2008]. Freitas Jr., R.A.(2003) Nanomedicine, Vol.IIA: Biocompatibility, Landes Bioscience,Georgetown, T.X., http://cs.wikipedia.org/wiki/Imunitn%C3%AD_syst%C3%A9m [on-line, 16. 1. 2008]. Šmíd, M. (1985), Vztahy mezi strukturou látek a jejich biologickou účinností, Edice MakroN-13, ÚMCH ČSAV, Praha. Šprincl, L. (1987), Polymery v lékařství, Sborník přednášek, Dům techniky Brno. The Williams dictionary of Biomaterials, DF Williams, 1999, ISBN 0-85323921-5. Vokurka, M., Hugo, J.(2003), Praktický slovník medicíny, Maxdorf, s. r. o., Praha., (http://www.otevrena-veda.cz/ov/users/Image/default/C1Kurzy/ NH2006pdf/13.pdf, [on-line, 3. 1. 2008].

182

2 dil kap 7_8.p65

182

23.7.2008, 13:45

8. PolymernÌ biomateri·ly Lenka Martinov· Syntetické polymerní materiály (biomedicinální polymery) se široce uplatňují v medicínských jednorázových aplikacích, protetických materiálech, implantátech, speciálních oděvech, mimotělních přístrojích, nosičích léčiv, tkáňovém inženýrství a ortodoncii. Hlavní výhodou polymerních biomateriálů ve srovnání s kovy nebo keramikou je snadné formování přesného tvaru (latex, film, vrstva, vlákna atd.), snadná sekundární zpracovatelnost, přiměřené náklady a dosažitelnost potřebných mechanických a fyzikálních vlastností. Požadované vlastnosti polymerních biomateriálů jsou podobné s ostatními biomateriály. Je to především biokompatibilita, sterilizovatelnost, adekvátní mechanické a fyzikální vlastnosti a zpracovatelnost, jak ukazuje tab. 8.1. Vlastnost

Popis

Biokompatibilita

NekarcinogennÌ, nepyrogennÌ, netoxick˝, nealergizujÌcÌ odezva

Sterilizovatelnost

Autokl·v, suchÈ teplo, etylenoxid, z·¯enÌ

Fyzik·lnÌ vlastnosti

Pevnost, elasticita, st·lost

Zpracovatelnost

Obr·bÏnÌ, tv·¯enÌ, extruze (vytlaËov·nÌ), zvl·kÚov·nÌ

Tab. 8.1: Z·kladnÌ vlastnosti polymernÌch biomateri·l˘

8.1 Polymery pouûÌvanÈ jako biomateri·ly Ačkoliv byly syntetizovány stovky polymerů, jen 10 až 20 polymerů je běžně užíváno při výrobě medicínských pomůcek určených od jednorázových aplikací až po dlouhodobě působící implantáty, jak je ukázáno v tab. 8.1. V této kapitole budou uvedeny všeobecné informace, charakteristiky vlastností a aplikací většiny běžně používaných polymerů. Biomedicinální polymer (BP) musí být vyvzorován s ohledem na fyziologické funkce a podmínky, jimž bude v organismu vystaven. Biomedicinální polymer musí být dostupný v reprodukovatelné čisté formě a kvalitě. Na tyto polymery jsou kladeny mnohem vyšší nároky kontroly kvality zejména v těch případech, kdy je materiál přímo v kontaktu s tělesnými tkáněmi a tekutinami. BP nesmí v organismu degradovat (není-li k tomu přímo předurčen) či jinak nepříznivě ovlivňovat okolní fyziologické 183

2 dil kap 7_8.p65

183

23.7.2008, 13:45

prostředí. Například jeho krystalizace, zkřehnutí nebo plastifikace může být důsledek oxidace, absorpce biologických komponent (proteiny, tuky), ukládání anorganických látek nebo vrůstání do tkání vyúsťuje ve zhoršení funkce. Fyziologická teplota (37 °C) může všechny výše uvedené efekty akcelerovat oproti výsledkům testů prováděným při laboratorní teplotě. Tolerovatelnost biomedicinálního polymeru musí vykazovat netoxické a nedráždivé chování a nesmí vyvolávat nepříznivou fyziologickou lokální nebo systematickou odezvu. Nepříznivá biologická odezva implantátu zahrnuje nadměrnou odezvu organismu, trombogenitu, zvýšenou náchylnost k infekci, mutagenetické nebo karcinogenetické vlivy. Syntetick˝ polymer

Aplikace

Polvinylchlorid (PVC)

Vaky na krev a roztoky, chirurgickÈ obaly, dialyzaËnÌ pom˘cky

Polyethylen (PE)

FarmaceutickÈ lahve, netkanÈ textilie, katetry, flexibilnÌ z·sobnÌky ortopedickÈ implant·ty, v·Ëky

Polypropylen (PP)

Jednor·zovÈ injekËnÌ st¯ÌkaËky, membr·ny, öicÌ nitÏ, netkanÈ textilie, umÏlÈ cÈvy

Polymethylmethakryl·t (PMMA) a jeho deriv·ty

KrevnÌ pumpy a rezervo·ry, membr·ny pro krevnÌ dialyzÈry, nitrooËnÌ ËoËky, kostnÌ cement

Polystyren (PS)

Lahve pro tk·ÚovÈ kultury, filtraËnÌ za¯ÌzenÌ

Polyethylentereftal·t (PET)

ImplantovatelnÈ spojnice, cÈvnÌ implant·ty, sÌùky, srdeËnÌ pumpy

Polytetrafluorethylen (PTFE)

Katetry, cÈvnÌ implant·ty

Polyuretan (PU)

Filmy, hadice, r˘znÈ souË·sti

Polyamid (PAD)

ObalovÈ fÛlie, katetry, zformovanÈ souË·sti

Tab. 8.2: Biomedicin·lnÌ aplikace polymernÌch materi·l˘

8.1.1 Polvinylchlorid Polvinylchlorid (PVC) je amorfní tuhý polymer, což je důsledek velké objemné skupiny (chlor) visící na jeho řetězci, teplota tání Tm je v intervalu 75~105 °C. Viskozita taveniny PVC je vysoká, proto je obtížně zpracovatelný. Jako ochra184

2 dil kap 7_8.p65

184

23.7.2008, 13:45

na proti degradaci teplem, při které se může uvolňovat při zpracování chlorovodík (HCl), jsou do PVC přidávány soli kovů (Na, K, Ca, Al) vyšších mastných kyselin (linoleová, stearová). Pro zvýšení pružnosti jsou do PVC přidávány plastifikátory, pro medicínské aplikace se používá di-2-ethylhexylftalát nebo di-oktylftalát (DEHP nebo DOP) a některé další speciální látky, které nejsou extrahovány krví, vodnými roztoky nebo horkou vodou v průběhu sterilizace. PVC vrstvy a fólie jsou používány při skladování roztoků a krve v zásobních vacích. Hadičky z PVC jsou hojně využívány při intravenózní (nitrožilní) aplikaci, dialýze, katetrizaci a zavedení drenážní kanyly.

8.1.2 Polyetylen Polyetylen (PE) je komerčně dostupný v pěti hlavních typech: (1) vysokohustotní (high density polyethylene-HDPE), (2) nízkohustotní (low density polyethylene-LDPE), (3) lineární nízkohustotní (linear low density polyethyleneLLDPE), (4) velmi nízko hustotní (very low density polyethylene-VLDPE) a (5) ultra vysokomolekulární (ultra high molecular weight polyethylene-UHMWPE). HDPE je polymerizovaný při nízké teplotě (60~80) °C a při nízkém tlaku~10 kg/cm3 při použití kovových katalyzátorů. Získává se u něho vysoká krystalinita a hustota od 0,94 do 0965 g/cm3. LDPE je vyráběn za vysoké teploty (150~300 °C) a tlaku (1000~3000 kg/cm2) při použití volných radikálů jako iniciátoru. Získává se vysoce rozvětvený polymer s nízkou krystalinitou a hustotou v rozsahu 0,91 až 0,935 g/cm3. HDPE je používán na výrobu farmaceutických lahví, netkaných textilií a jednorázových pokrývek hlavy. LDPE je často surovinou pro pružné kontejnery, jednorázové netkané textilie, rovněž se ale používá při laminaci papíru a při výrobě obalových fólií. LLDPE ve formě fólie je pro svou excelentní odolnost proti protržení využíván na výrobu tašek a VLDPE najde uplatnění při extruzi (vytlačování) hadic. UHMWPE (molekulová hmotnost 2 x 106 g/mol) je využíván při výrobě speciálních ortopedických součástí, jako je například acetabulum (jamka kyčelního kloubu) při totální endoprotéze (náhrada kyčelního kloubu). Testy biokompatibility jsou zahrnuty v ASTM (American Society for Testing and Materials) standardech.

8.1.3 Polypropylen Polypropylen (PP) může být polymerizován na Ziegler-Natta stereospecifických katalyzátorech, které umožňují izotaktickou pozici methylových skupin (viz takticita –stereoizomerie PP). Mezi základní termické údaje vždy patří hodnota Tg:-12 °C, Tm: 125–167 °C. Specifická hmotnost PP je v intervalu 0,85~0,98 g/cm3 a fyzikální vlastnosti jsou podobné jako u PE. Běžně používa185

2 dil kap 7_8.p65

185

23.7.2008, 13:45

ná aditiva pro PP jsou antioxidanty, světelné stabilizátory, lubrikanty a nukleární činidla, které zlepšují fyzikální vlastnosti a zpracovatelnost. PP má vynikající ohybovou životnost a odolnost proti vzniku trhlin za napětí, proto je používán například jako náhrada prstních kloubů Propustnost pro vodní páru a plyny pro PP je v intervalu mezi těmito hodnotami pro LDPE a HDPE. PP je vhodný pro jednorázové injekční stříkačky, membrány pro kyslíkové generátory, obaly, netkané textilie, šicí materiál, cévní náhrady atd.

8.1.4 Polymethylmethakryl·t Komerční polymethylmethakrylát (PMMA) je amorfní, a proto čirý materiál (Tg: 105 °C a hustota 1,15~1,95 g/cm3) s dobrou odolností alkáliím a jiným anorganickým rozpouštědlům. PMMA je znám vynikající propustností pro světlo (transmise 92 %), vysoký index lomu (1,49) a je jedním z nejčastěji využívaných biokompatibilních polymerů. PMMA může být snadno zpracováván konvenčními způsoby, tvářením, povrchovým potahováním, plazmou nebo koronou. PMMA je široce využívaný ve výrobcích, jako jsou krevní pumpy nebo krevní rezervoáry, membrány pro krevní dialyzéry a in vitro diagnostiku. Pro své mimořádné optické vlastnosti nachází uplatnění v nitroočních kontaktních čočkách, ale také při konstrukci zubních protéz, a to zejména pro své dobré fyzikální a barevné vlastnosti. Na bázi PMMA jsou vyráběny kostní cementy využívané při fixaci kloubních protéz (ASTM standard F451). Další akrylové polymery, jako je polymethylakrylát (PMA), poly-2-hydroxyethylmethakrylát (PHEMA) a polyaktrylamid (PAAm) jsou také používány v medicínských aplikacích. PHEMA a PAAm jsou hydrogely, mírně zesíťované etylen glykol dimethakrylátem (EGDM) pro zvýšení mechanické pevnosti. Vnější kontaktní čočky jsou syntetizovány z PMMA a N-vinylpyrollidonu nebo PHEMA, mají vysoký obsah vody (více než 70 %) a vysokou propustnost pro kyslík.

8.1.5 Hydrogely Hydrogely jsou obvykle zesíťované polymery odvozené od monomerů obsahující polární či iontové skupiny. K nejběžnějším a nejpoužívanějším takovým polymerům patří: • poly(vinylalkohol) • poly(2-hydroxyethylmethakrylát) nebo akrylát • polysacharidy • poly(aminoethylmethakrylát) • poly(2-dimethylaminoethylmethakrylát) 186

2 dil kap 7_8.p65

186

23.7.2008, 13:45

• • • • • • • • • • • •

poly(methacryloyloxyethyltromethylamonium chlorid) poly(vinylamin) poly(ethylenimin) poly(vinylpyridin) poly(akrylamid), poly(methakrylamid) poly(2-hydroxypropylmethakrylamid) bílkoviny kyselina polymethakrylová, či akrylová, resp. jejich sodné nebo draselné soli kopolymery kyseliny maleinové polyethylenglykol kyselina poly(vinylsulfonová), resp. její sodná či draselná sůl kyselina polystyrensulfonová, resp. její sodná či draselná sůl

Vlastnosti hydrogelů závisejí především na povaze polymeru, od něhož jsou odvozeny, a na stupni zesíťování. Až na drobné výjimky (polyethylenglykol) jsou hydrogely v suchém stavu tvrdé a křehké (tj. za normální teploty leží pod teplotou skelného přechodu, Tg). Při jejich styku s vodným prostředím (např. fyziologický roztok) botnají, zvyšují tak svůj objem a stávají se měkkými. Míra jejich zbotnání a ostatní mechanické vlastnosti jsou dány hydrofilitou monomeru. Obecně platí, že čím polárnější je monomer, tím vyšší stupeň zbotnání vykazuje hydrogel. Hydrogely odvozené od ionogenních monomerů botnají tak silně, že jejich mechanické vlastnosti jsou obvykle tak špatné, že pro zamýšlené účely je nelze použít. Avšak použijeme-li ionogenní komonomer v kombinaci s méně polárním či nepolárním komonomerem, můžeme často získat materiál s velmi dobrými vlastnostmi. Tak například kombinací 2-hydroxyethylmethakrylátu (HEMA, málo polární komonomer) se sodnou solí kyseliny methakrylové (MA, ionogenní komonomer) získáme materiál velmi vhodný kupříkladu pro kontaktní čočky či podkožní implantáty. Botnací vlastnosti hydrogelů jsou dále poněkud ovlivněny množstvím síťovadla. Obecně platí, že s rostoucím množstvím síťovadla botnání hydrogelů klesá, avšak souběžně od jistých mezí se zhoršují mechanické vlastnosti, někdy až do té míry, že se při delším styku s vodnými roztoky samovolně rozpadají.

8.1.6 Polystyren a jeho kopolymery Polystyren (PS) je polymerizován volnou radikálovou polymerizací a obvykle je ataktický. V praxi jsou využívány tyto tři typy: (1) nemodifikovaný PS pro všeobecné použití (general purpose – GPPS, Tg: 100 °C), (2) houževnatý PS – high impact (HIPS), (3) PS pěny. GPPS má dobrou transparentnost, je bezbarvý, snadno zpracovatelný, tepelně stabilní, s nízkou specifickou hmotností 187

2 dil kap 7_8.p65

187

23.7.2008, 13:45

(1,04~1,12 g/cm3 ) a s relativně vysokým modulem. HIPS obsahuje elastické modifikátory, které tvoří chemické vazby s rostoucím PS řetězcem. Důsledkem toho je lepší tvárnost, rázová houževnatost a větší odolnost vůči vzniku trhlin za napětí. PS je zpracováván hlavně injekčním vstřikováním při 180~250 °C. GPPS je hojně používán v podobě kultivačních nádobek v tkáňovém inženýrství, vakuových kanystrů a filtračního vybavení. Terpolymer akrylonitryl-butadien-styren (ABS) je vyráběn ze tří monomerů, což uděluje výslednému polymeru žádané vlastnosti v širokém intervalu. Ty lze kontrolovaně ovlivňovat poměrem jednotlivých složek. ABS je netečný k většině anorganických rozpouštědel, má dobré povrchové vlastnosti a rozměrovou stabilitu. ABS je používán pro krevní dialyzéry, diagnostické soupravy, kleště a jiné nástroje.

8.1.7 Polyester Polyester, jako je polyetylentereftalát (PET) se často vyskytuje v medicínských aplikacích díky svým unikátním chemickým a fyzikálním vlastnostem. PET je velmi důležitý materiál například pro umělé cévní štěpy, šicí materiál a sítka. Je vysoce krystalický s vysokou teplotu tání (Tm: 256 °C), je hydrofobní a odolný vůči hydrolýze v roztocích kyselin. Zpracovává se konvenčními technikami do výrobků, jako jsou kontrolní ventily a filtry.

8.1.8 Polyamid Polyamid (PAD), často označován jako nylon, může být připravován následnou reakcí (kondenzací) nebo polymerizací při otevření kruhu monomeru (kaprolaktam). PAD je výtečně zvláknitelný vzhledem k interakcím vodíkových můstků mezi polymerními řetězci, má vysoký stupeň krystalinity, který zvyšuje pevnost vláken. Přítomnost skupin –CONH- v hlavním řetězci, jejich počet a distribuce umožňují nejen realizaci vodíkových vazeb, které hrají hlavní úlohu ve vlastnostech PAD. Kupříkladu Tg může být snížena při snížení počtu –CONHskupin. Na druhé straně zvýšení počtu těchto skupin zlepšuje fyzikální vlastnosti, jako je například pevnost, která je vyšší pro PAD66 než pro PAD610 a PAD6 je pevnější než PAD11. Číslo za zkratkou PAD udává počet uhlíků v monomeru – diaminu, respektive v di-karboxylové kyselině, případně v cyklickém laktamu. Cyklické amidy jsou obecně známy jako aramidy. Jeden z nich, poly(p-fenylen tereftalát), je označovaný jako Kevlar (DuPont). Tento materiál může být zvlákňován a je pětkrát pevnější než ocel, má vysokou tepelnou odolnost, proto je velmi vhodný pro konstrukci kompozitních materiálů. 188

2 dil kap 7_8.p65

188

23.7.2008, 13:45

Polyamidy jsou hygroskopické, a jsou-li implantovány, ztrácejí in vivo svou pevnost. Molekuly vody působí jako změkčovadlo, které napadá amorfní oblasti. Proteolytické enzymy se účastní hydrolýzy tím, že napadají amidové skupiny. To je způsobeno pravděpodobně tím, že proteiny ve své molekule obsahují i amidovou skupinu, kterou proteolytický enzym napadá.

8.1.9 FluorkarbonovÈ polymery Nejznámějším fluorokarbonovým polymerem je polytetrafluorethylen (PTFE), běžně označovaný jako teflon (DuPont). Z jiných polymerů obsahujících fluor uvedeme poly-trifluorochlorethylen (PTFCE), polyvinylfluorid (PVF) a fluorovaný etylen propylen (FEP). Zde bude diskutován jen PTFE, protože ostatní mají jen druhořadý význam a fyzikální vlastnosti a jsou zřídka využívány jako implantáty. PTFE je vyráběn z tetrafluorethylenu pod tlakem, za přítomnosti peroxidického katalyzátoru a v přebytku vody, která slouží při odstranění vzniklého tepla při exotermické reakci. Polymer je vysoce krystalický (více než 94 % krystalinity) a jeho průměrná molekulová hmotnost je mezi 0,5~5 x 106 g/mol. Tento polymer má vysokou měrnou hmotnost (2,15~2,2 g/cm3), nízký modul elasticity (0,5 GPa) a pevnost v tahu (14 MPa). Má také velmi nízké povrchové napětí (18,5 mN/m) a koeficient tření (0,1). Standardní specifikace pro implantáty z PTFE jsou zahrnuty v ASTM F754. PTFE má také neobvyklou vlastnost být expandován v mikroskopickém měřítku do makroskopických materiálů, které jsou potom výborné tepelné izolátory. PTFE nemůže být zpracováván injekčním vstřikováním, protože jeho viskozita je velmi vysoká a nemůže být snížena účinkem změkčovadla. Obvykle je proto prášek PTFE sintrován (slinován, spékán) za tlaku a nad teplotou 327 °C.

8.1.10 Pryûe (kauËuky, elastomery) Silikony, přírodní a syntetická pryž jsou využívány pro výrobu implantátů. Přírodní kaučuk je vyráběn z latexového mléka, jehož zdrojem je palma Hevea brasiliensis. Chemický vzorec přírodního kaučuku je stejný jako pro cis-1,4 polyisoprenu. Přírodní kaučuk je kompatibilní s krví v její čisté formě. Síťování působením RTG paprsků a organických peroxidů dává vzniknout kaučuku, který je lépe kompatibilní s krví, oproti kaučukům konvenčně vulkanizovaným účinkem síry. Syntetický kaučuk byl vyvinut jako náhrada přírodní pryže, pro výrobu implantátů je ale využíván jen výjimečně. Silikonový kaučuk, vyvinutý firmou Dow Corning, je jedním z mnoha polymerů, který byl vyvinut přímo pro medicinální aplikace. Jeho monomerní jed189

2 dil kap 7_8.p65

189

23.7.2008, 13:45

notka dimethylsiloxan je polymerizovaný kondenzační reakcí. Nízká molekulová hmotnost polymeru vede k nízké viskozitě, ale zesíťováním lze získat vysokomolekulární polymer s vlastnostmi podobnými pryži. Nejznámější aplikace silikonu v biomedicíně je bezesporu spojena s mammárními (prsními) implantáty nebo protézami. Poprvé byly zrealizovány v roce 1962.

8.1.11 Polyuretany Vlastnosti polyuretanů (PU) jsou široce modifikovatelné. V současné době lze vyrobit polyuretany, které jsou biokompatibilní, ohybově stálé, vysoce pevné, s vysokou odolností vůči abrazi a zpracovatelné různými metodami. Polyuretany vznikají reakcí aromatického nebo lineárního di-isokyanátu s jiným difunkčním monomerem, který má aktivní vodík (např. diol). Nejběžnější aplikací v biomedicíně jsou krátkodobé implantáty. Termoplastické PU jsou často označovány jako polyuretanové eleastomery. Mají podobnou strukturu jako humánní proteiny. Proto je absorpce proteinů, která je na počátku krevní koagulační kaskády nižší než u jiných materiálů. Tím se stávají ideálními kandidáty pro medicínské aplikace, vyžadující adhezivní pevnost, biomimetické a antitrombotické vlastnosti. Jsou proto hojně využívané při řešení kardiovaskulárních problémů.

8.2 Biopolymery Biopolymery jsou polymery vytvořené z obnovitelných zdrojů přírodním procesem, jsou často biodegradabilní a při jejich rozkladu nevznikají toxiny. Mohou být produkovány biologickým systémem (tj. mikroorganismy, rostlinami a živočichy), nebo jsou chemicky syntetizovány z biologických zdrojů, jako je cukr, škrob, přírodní tuky nebo oleje atd. Biopolymery jsou alternativní suroviny k tradičním plastům, které jsou na bázi ropných produktů (viz výše uvedené polymery). Jejich vlastnosti jsou podobné tradičním polyesterům. Přírodní polymery na bázi škrobu jsou často míseny s jinými plasty (např. PE). Výsledná směs má vlastnosti příznivější pro životní prostředí. Podle počtu a uspořádání biopolymerů se rozlišují: biopolymery pravidelné, v nichž se opakuje jeden nebo dva monomery v řetězci, tj. polysacharidy, například celulóza, škrob, glykogen; biopolymery nepravidelné, v nichž je uspořádán větší počet různých monomerů nepravidelně v řetězci, například nukleové kyseliny ze čtyř různých nukleotidů a bílkoviny z dvaceti různých aminokyselin. Biopolymery tvoří až polovinu hmoty buňky, zajišťují přenos dědičnosti (nukleové kyseliny) a mají i funkci katalytickou, transportní, ochrannou a strukturní (bílkoviny a polysacharidy). 190

2 dil kap 7_8.p65

190

23.7.2008, 13:45

8.3 BiodegradabilnÌ polymery Biodegradabilní polymery lze rozdělit do dvou velkých skupin: (i) syntetické a (ii) přírodní. Ze skupiny syntetických biodegradabilních polymerů popíšeme ty, které se v poslední době těší zvláště velké pozornosti. Několik z nich, zejména polyestery (kyselina polymléčná - PLA, kyselina polyglykolová - PGA, kopolymer kyseliny mléčné a glykolové - PLGA, ale i poly-etheresther-polydioxanon), je testováno v širokém měřítku pro nejrůznější medicínské aplikace s ohledem na biokompatibilitu, kontrolovatelnou biodegradabilitu a relativně dobrou zpracovatelnost. PLA, PGA a PLGA patří do skupiny poly a-hydroxykyselin. Tyto polymery degradují nespecifickým hydrolytickým štěpením svých esterových vazeb. Zcela zvláštní a žádanou kategorií bidegradabilních polymerů jsou přírodní polymery, zejména modifikované polysacharidy, jako je například škrob, celulóza a chitosan, kyselina hyaluronová, ale také kolagen. Plánovaný rozsah tohoto textu neumožňuje podrobné charakteristiky jednotlivých polymerů, proto se soustředíme jen na některé. Ze skupiny přírodních polymerů má výsadní postavení chitosan.

8.3.1 Vlastnosti degradabilnÌch polymer˘ vhodn˝ch jako biomateri·ly Polymery, jejichž hlavní řetězec je vystavěn z vazeb C-C, jsou nebiodegradabilní, zatímco heteroatom v řetězci zajišťuje polymeru biodegradabilitu. Biodegradabilita může být vnesena do polymeru uvážlivou adicí chemických vazebných seskupení, jako jsou mezi jinými anhydrity, estery nebo amidové vazby. Biodegradabilní polymery s hydrolyzovatelnými chemickými vazbami jsou intenzivně zkoumány pro biomedicínské, farmaceutické, zemědělské a obalové aplikace. Mohou být také využity v aplikaci kontrolovaného uvolňování léčiv. Od biodegradabilních polymerů se očekává, že budou zároveň biokompatibilní a budou mít další nezbytná kritéria biomateriálů, jako je sterilizovatelnost, kontrolovatelná stabilita nebo degradace jako odezva na biologické podmínky. Produkty degradace často definují biokompatibilitu polymeru, ale ne nezbytně polymer sám. Jednou z oblastí velmi intenzivního výzkumu je použití biodegradabilních polymerů pro kontrolovaný transport léčiv. Je vyvíjen pro prolongovanou a lépe kontrolovanou aplikaci léčiv. Cílem je zajistit terapeutickou koncentraci léčiva podanou v jedné dávce. Biokompatibilita nově vytvořených materiálů je před první aplikací dlouho testována na různých úrovních, které musí zohledňovat odezvu živé tkáně na 191

2 dil kap 7_8.p65

191

23.7.2008, 13:45

strukturu implantátu a reprodukovatelnost výsledků. Tyto mnohaleté testy jsou prováděny nejprve in vitro, později in vivo. Hodnotí se zejména buněčná toxicita, trombogenita, zánětlivá odezva (viz kapitola 7), následně jsou prováděny testy na zvířatech, klinické testy, Food and Drug Administration (FDA) registrace, jejímž ekvivalentem je v ČR Státní ústav pro kontrolu léčiv (SÚKL), a v neposlední řadě jsou definovány ASTM/ISO standardy.

8.3.2 Chitosan Chitosan je biosyntetický polysacharid, který je získáván deacetylací chitinu. Chitin je po celulóze druhý nejrozšířenější organický materiál, přírodní polysacharid, který může být extrahován ze schránek korýšů nebo generován fermentačním procesem.

Obr. 8.1: Zdroje p¯ÌrodnÌho chitinu Chitosan je ß-1,4 lineární polymer 2-amino-2-deoxy-d-glukopyranosy, která nese v roztocích kyselin pozitivní náboj díky protonizované amino skupině (Kaplan a kol., 1994).

Obr. 8.2: StavebnÌ jednotka chitosanu Existuje hypotéza, že majoritní cesta pro přeměnu chitinu na chitosan in vivo probíhá účinkem lysozymu, který působí pomalou depolymerizaci polysacharidů (Karavel a Domard, 1993). Stejně jako kyselina hyaluronová chitosan není antigenní a je při implantaci dobře tolerovaným materiálem. Díky svému pozitivními náboji při fyziologickém pH je chitosan též bioadhezivem. Chitosan podporuje léčbu zranění (Biagini a kol., 1992) a má bakteriostatický efekt (Felt a kol., 2000; Liu a kol., 2001). Různé aplikace chitosanu, zahrnující vyu192

2 dil kap 7_8.p65

192

23.7.2008, 13:45

žití v tkáňových krytech, kontrolovaném transportu léčiv a v bioadhezivních materiálech, byly již popsány, ale teprve nedávno bylo zjištěno, že chitosan díky pozitivnímu náboji může mít vliv na pevnost spojení mezi buňkami. Bylo prokázáno, jak velmi efektivně může být ovlivněn transport léčiv, zejména takových, která vykazují polární charakter. Detailní popis medicinálních aplikací chitosanu uvádí například Hon (1996). Nezanedbatelnou skutečností zůstává, že chitosan se vyskytuje relativně hojně, jeho produkce je nízkonákladová a ekologicky příznivá. V medicíně a farmaceutických aplikacích je chitosan užíván také jako součást hydrogelů. Biodegradační rychlost tohoto polymeru je určena množstvím zbytkových acetylových skupin, tedy stupněm deacetylace, parametrem, který může být snadno měněn. Chemickou modifikací lze získat materiál s různými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Například chitosanový film nebo vlákna mohou být účinkem vhodných síťujících činidel zesíťována. Chitosanový hydrogel může být získán různými mechanismy fyzikálního nebo chemického síťování (Mi a kol., 2000), iontového síťování (Draget, 1992) nebo síťování pomocí vodíkových můstků (Vachoud a kol., 1997; Moore a Robers, 1980). Chitosan je zpracováván do membrán a matricí vhodných zejména pro aplikace v tkáňovém inženýrství. Zpracování chitosanových matric je umožněno zejména díky využití vnitřních elektrostatických vlastností molekuly. Polymerní řetězce chitosanu jsou vzájemně poutány elektrostatickými interakčními silami mezi aminovými skupinami. S rostoucími iontovými silami se snižuje vzdálenost mezi řetězci, což ve svém důsledku zvyšuje počet vazných bodů mezi nimi, a tím i tuhost matrice. Rigidní D-glukozoaminová struktura, vysoká krystalinita a četnost vodíkových mezimolekulárních vazeb vedou k nízké rozpustnosti v běžných organických rozpouštědlech a omezuje zpracování chitosanu. Nižší molekulová hmotnost, nižší krystalinita při nepravidelné acetalizaci všeobecně zvyšují rozpustnost v roztocích kyselin, a tím umožňují zpracování chitosanu do různých forem a také vláken (Ohkawa a kol., 2004; Bhattarai a kol., 2005; Subramanian, 2005). Chitosanová molekula je neutrální, ale vytváří intermolekulární vodíkové vazby, které ztěžují rozpustnost. Díky amino skupině na řetězci je chitosan dobře rozpustný ve vodných roztocích kyselin a po protonizaci aminové skupiny vykazuje vlastnosti kationaktivního polyelektrolytu.

8.3.3 PolymlÈËn· kyselina Polymléčná kyselina – Polylactic nebo Polylactide acid – (PLA) je biodegradovatelný, termoplastický, alifatický polyester odvozený z obnovitelných zdrojů. 193

2 dil kap 7_8.p65

193

23.7.2008, 13:45

Kukuřičný škrob (USA) nebo cukrová řepa (zbytek světa) jsou běžné výchozí suroviny. Pro produkci PLA je využit proces fermentace. Produktem je oligomer, který je následně katalyticky dimerizován na produkt vhodný k polymerizaci otevřením cyklu. Vzhledem k chirální struktuře mléčné kyseliny existuje několik jejich forem: forma D, L a směs DL. Poly-L-lactide (PLLA), která má krystalinitu kolem 37 % a Tg: 50~80 °C a Tm:173~178 °C. Polymerizace racemické směsi vede k syntéze DL-lactide (PDLLA). Kyselina DL-polymléčná (DL-PLA) je amorfní polymer vykazující náhodné rozdělení obou izomerických forem kyseliny mléčné, a proto je neschopný vytvořit organizované krystalické struktury. Tento materiál má nižší pevnost v tahu, vyšší prodloužení a mnohem rychlejší čas degradace, čehož lze využít pro řízený transport léčiv. Zajímavé je, že polymerní směs zůstává čirá. PLA může být zpracovávána jako běžný termoplast na vlákna a filmy. Maximální efekt tepelné stability je dosažen při směsi obou forem (D a L) v poměru 50/50. Fyzikální směs PDLA a PLLA může být využita v mnoha aplikacích, např. jako šicí chirurgické nitě, nádobí do mikrovlnné trouby, kompostovatelné obaly, dámská hygiena, plenky, jednoúčelové oděvy, ale i jako inženýrské plasty. Vzhledem ke své biodegradabilitě má PLA mnoho aplikací také v biomedicíně (vnitřní šití, stenty, dialyzační média, transport léčiv, tkáňové inženýrství). Při hydrolytické degradaci PLA vzniká produkt (kyselina mléčná), který je typický pro anaerobní metabolismus v lidském těle a je součástí trikarboxylového cyklu (Krebsův cyklus), jehož finálními produkty jsou oxid uhličitý a voda.

8.3.4 Polyglykolov· kyselina Polyglykolová kyselina (PGA) je nejjednodušší lineární alifatický polyester. Má vysoký stupeň krystalinity, 45 až 55 %, a poměrně vysokou teplotu tání Tm: 220~225 °C, Tg se pohybuje v rozmezí 35~40 °C. Vysoký stupeň krystalinity vede k obtížné rozpustnosti ve většině organických rozpouštědlech; výjim-

Katal˝za +

Glykolid

Polyglykolid

Obr. 8.3: Polymerizace dimeru kyseliny mlÈËnÈ s†otev¯enÌm kruhu 194

2 dil kap 7_8.p65

194

23.7.2008, 13:45

kou je 1,1,1-3,3,3-hexafluoroizopropanol. Vlákna PGA vykazují vysokou pevnost a modul. Stehy utvořené z PGA ztrácejí asi 50 % pevnosti po dvou týdnech a 100 % pevnosti po čtyřech týdnech. K úplné absorpci dochází za tři až šest měsíců. PGA biodegraduje kombinací hydrolytického štěpení a účinkem enzymu (esteráza). Degradace tedy probíhá ve čtyřech stupních: I. hydratace, II. ztráta pevnosti v tahu způsobená rozštěpením řetězce, III. snížení molekulové hmotnosti a IV. solubilizace (převádění obtížně rozpustných látek do vodného roztoku). Degradace PGA závisí na teplotě, pH, molekulové hmotnosti a na stupni krystalinity. Rozpad PGA může být urychlen například karboxypeptidy a zpomalován určitými proteiny. Při expozici fyziologickým podmínkám PGA degraduje náhodnou hydrolýzou. Tento proces může být urychlen určitými enzymy, zejména s esterázovou účinností. Produktem degradace je netoxická kyselina glykolová, která následně vstupuje do metabolického cyklu kyseliny citronové. Část kyseliny glykolové je vyloučena močí. Z organismu je plně vyloučena během čtyř až šesti měsíců.

8.3.5 Kopolymer kyseliny polymlÈËnÈ a polyglykolovÈ Kopolymer kyseliny polymléčné a polyglykolové (PLGA) vzniká kopolymerizací dvou monomerů: PLA a PGA.

x - poËet jednotek kyseliny mlÈËnÈ y - poËet jednotek kyseliny glykolovÈ

Obr. 8.5: Kopolymer PLGA

Kopolymerizací lze rozšířit rozsah vlastností homopolymeru. Kopolymery PGA s oběma formami LPLA a DLPLA byly vyvinuty pro cílený transport léčiv. Za povšimnutí stojí to, že mezi složením kopolymeru a mechanickými a degradačními vlastnosti materiálů neplatí lineární vztah. Například kopolymer ve složení 50 % PGA a 50 % DLPLA degraduje rychleji než jeden či druhý homopolymer. Polymer ve složení 90 % PGA a 10 % LPLA byl vyvinut firmou Ethicon jako absorbovatelný šicí materiál pod názvem Vicryl. Závislost na rychlosti degradace a na složení PLGA je znázorněna na obr. 8.6. 195

2 dil kap 7_8.p65

195

23.7.2008, 13:45

mÏsÌce T1/2

KopolymerizaËnÌ pomÏr

Obr. 8.6: Z·vislost rychlosti degradace PLGA na sloûenÌ kopolymeru (http://www.devicelink.com/mpb/archive/98/03/002.html)[on-line, 16. 1. 2008]

V tab. 8.3 jsou ukázány souvislosti mezi složením kopolymeru PLGA, jeho vlastnostmi a rychlostí degradace.

Polymer

Teplota t·nÌ (∞C)

Teplota zeskelnÏnÌ (∞C)

Modul (Gpa)

»as degradace (mÏsÌce)

PGA

225ñ230

35ñ40

7

LPLA

173ñ178

60ñ65

2,70

>24

DLPLA

AmorfnÌ

55ñ60

1,90

12 aû 16

85/15 DLPLG

AmorfnÌ

50ñ55

2,00

5 aû 6

75/25 DLPLG

AmorfnÌ

50ñ55

2,00

4 aû 5

65/35 DLPLG

AmorfnÌ

45ñ50

2,00

3 aû 4

50/50 DLPLG

AmorfnÌ

45ñ50

2,00

1 aû 2

75/25 DLPLG

AmorfnÌ

50ñ55

2,00

4 aû 5

65/35 DLPLG

AmorfnÌ

45ñ50

2,00

3 aû 4

50/50 DLPLG

AmorfnÌ

45ñ50

2,00

1 aû 2

6 aû 12

Tab. 8.3: Vliv sloûenÌ kopolymeru PLGA na jeho vlastnosti a na dobu degradace

196

2 dil kap 7_8.p65

196

23.7.2008, 13:45

8.3.6 Polykaprolakton Polykaprolakton (PCL) je biologicky degradovatelný semikrystalický polyester s nízkou teplotou tání (Tm: 58~60 °C)) i nízkou teplotu zeskelnění Tg: -72 °C, který se typicky připravuje katalytickou polymerizací s otevřením kruhu (ROP, ring-opening polymerization) -kaprolaktonu ( -CL). Ačkoliv není produktem obnovitelných zdrojů, je plně biodegradovatelný. Užívá se jako měkká matrice nebo pro potahování konvenčních polyesterových vláken, jak navrhl Leininger a Bigg, 1986. PCL je využívaný zejména v termoplastických polyuretanech jako polymer vhodný pro povrchové úpravy, syntetické usně a adheziva. Dále slouží pro výrobu chirurgických nití, vláken a kompostovatelných obalů. Nízká teplota tání z polykaprolaktonu činí sloučeninu s obrovským potenciálem v oblasti obalové techniky – například směs PCL se škrobem se používá k výrobě rychle se rozkládajících odpadkových pytlů. PCL se rozkládá hydrolýzou esterové vazby i při fyziologických podmínkách, proto je možné tento polymer využít mimo jiné i v implantační technice. V některých zemích už bylo použití PCL schváleno pro medicínské účely, tento polymer může být využit jako nosič léčiv, jako materiál pro vnitřní šití nebo jako materiál pro implantáty.

Katalyz·tor + teplota

-kaprolakton

polykaprolakton

Obr. 8.7: Otev¯enÌ cyklu a polymerizace kaprolaktonu

8.4 P¯ehled d˘leûit˝ch definic a pojm˘ Katetr – cévka. Močový katetr (urologická cévka) se zavádí do močového měchýře při nemožnosti spontánního močení a zachované tvorbě moči v ledvinách. Lyzozym – enzym schopný narušit stěnu bakterií rozkladem mureinu. Mamma – lat. prs. Párový orgán, který u ženy tvoří kůže, mléčná žláza (glandula mammaria) a tukové vazivo. Nukleotid – sloučenina skládající se z cukru (ribózy, resp. deoxyribózy), pyrimidinové či purinové báze a fosfátu. Nukleotidy jsou stavebními kameny 197

2 dil kap 7_8.p65

197

23.7.2008, 13:45

nukleových kyselin a patří k nim také sloučeniny s vysokým obsahem energie. Ortodoncie – lékařský obor (součást stomatologie) zabývající se nepravidelnostmi chrupu a jejich léčbou. Proteolytický – vztahující se k proteolýze. Proteolytické enzymy uvolňované z bílých krvinek při zánětu rozkládají bílkoviny. Vaskulární – cévní.

8.5 DoporuËen· a pouûit· literatura Bhattarai, N., Edmonson, D., Veseih, O., Matsen, F. A. (2005), Electrospun chitosan- based nanofibers and thein cellular compatibility, In: Biomaterials 26, 6176-6184. Biagini, G., Muzzarelli, R.A.A., Giardino, R., Castaldini, C. (1992), Biological materials for wound healing, In: C.J. Brine, P.A. Sandford, J.P. Zikakis (Eds.), Advances in Chitin and Chitosan, Vol 1, Elsevier Science, Barking, 16-24 Ueno, H., Mori, T., Biomaterials-Principle and Applications, (2003), Edit. Joon B. Park, Joseph D.Bronzino, CRC Press London. Felt, O., Carrel, A., Baehni, P. Buri, P., Gurny, R. (2000), Chitosan as tear substitute: A wetting agent endowed with antimicrobial efficacy, J. Ocul. Pharmacol. Ther. 16, 261-270. Freed, L.E., Vunjak-Novakovic, G., Biron, R. J., Eagles, D. B., Langer, R. and col. (1994), Biodegradable polymer scaffolds for tissue engineering, Biotechnology, Vol. 12 July, p. 689- 693. Hon, D.N.S. (1996), Polysacharides in medical application, Ed. Dumitru, Dekker, New York, 631-649. Honzík, R.(2007), Plasty se zkrácenou životností a způsoby jejich degradace. Biom.cz, 18. 8. 2004, http://biom.cz/index.shtml?x=194542 [on-line: 27. 12. 2007], citováno z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Biodegradace. http://worldwise.stores.yahoo.net/biodegradable.html tabulka–biodegradace, [on-line: 28. 12. 07]. Kaplan, D.L., Wiley, B.J., Mayer, J.M., Arcidiacono, S., Keith, J., Lombardi, S., Ball, D. and Allen, A.L. (1994), Biosynthetic polysacharides, In: Biomedical Polymers (S.Shalaby, ed.) Hanser Publisher, Munich and New York, 189-212. 198

2 dil kap 7_8.p65

198

23.7.2008, 13:45

Karavel, M.N., Domare,A. (1993), Relation between the physicochemical characteristics of collagen and its interaction with chitosan, Biomaterials 14,(12), 930-938. Leininger,R.I. and Bigg, D.M. (1986), Polymers, In: Handbook of Biomaterials Evaluation, p. 24-37, Macromillian Publishing Co., NY. Mi, F.L., Kuan, C.Y., Shyu, S.S., Lee, S.T., Chang, S.F. (2000), A novel thermally-activated crosslinking agent for chitosan, Carbohydr. Polym. 41, 389396. Mi, F.L., Sung, H.W., Shyu, S.S. (2000), Synthesis and characterization of a novel chitosan-based network prepared using naturally occurring crosslinker, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 38, 2804-2814. Middleton, J.; A. Tipton (1998), Synthetic biodegradable polymers as medicadevices, Medical Plastics and Biomaterials Magazine, March. [online,17.12.2007], http://www.devicelink.com/mpb/archive/98/03/002.html. Moore, G.K., Roberts, G.A.F. (1980), Enzymatic gelation of the natural polymer chitosan, Int. J. Biol. Macromol. 1980, 2, 73-77. Ohkawa, K., Cha, D., Kim, H., Hishida, A., Yamamoto, H. (2004), Electrospinning of Chitosan, In: Macromolecular Rapid Communication, Vol. 25, Iss. 18, 1600-1605. Přádný, M. (2005), osobní sdělní Revisiting the definition of biocompatibility?, D Williams, Medical Device Technology 14(8) October 2003. Subramanian, A., Vu, D., Larsen,G. F., Lin, H.Y. (2005), Preparation and evaluation of the electrospun chitosan/PEO fibers for potential application in cartilige tissue engineering, In: J. Biomater. Sci., Vol, 16, 7, 861-873. Šmíd, M. (1985), Vztahy mezi strukturou látek a jejich biologickou účinností, Edice Makro N-13, ÚMCH ČSAV, Praha. Šprincl, L. (1987), Polymery v lékařství, Sborník přednášek, Dům techniky Brno. The Williams dictionary of Biomaterials, DF Williams, 1999, ISBN 0-85323921-5. Vachoud, L., Zydowicz, N., Domard, A. (1997), Effect of physicochemical parameters on the formation of chitosan, Carbohydr. Res. 302,169–177.

199

2 dil kap 7_8.p65

199

23.7.2008, 13:45

9. Sterilizace Lenka Martinov· Sterilizace je soubor činností směřujících k úplnému odstranění (usmrcení) živých mikroorganismů, včetně vysoce rezistentních spor, mikroskopických hub, vývojových stádií protozoí, eventuálně helmintů, které ve zdravotnictví definuje příslušná legislativa. Sterilizace zdravotnických výrobků a polymerů je velmi speciální proces, jehož cílem je odstranění všech živých mikroorganismů z produktu, což je však statisticky nemožné. Při sterilizaci je usmrcení mikroorganismů popisováno logaritmickou funkcí a následně je sterilizace vyjádřena jako pravděpodobnost určitého počtu mikroorganismů schopných přežití. Sterilizace není samostatný obor nebo disciplína, ale styčná plocha znalostí z výzkumu materiálů, biologie, vzorování, zpracování, kontroly životního prostředí, biokompatibility, mikrobiologie, inženýrství, bezpečnosti materiálu a léčiv, matematiky, hodnocení kvality a v neposlední řadě výzkumu a vývoje nových materiálů a léčiv. Sterilizace je obor, který spojuje multidisciplinární úsilí mnoha oborů. Nedílnou součástí sterilizace je předsterilizační příprava předmětu, kontrola sterilizačního procesu a sterilizovaného materiálu, monitorování a záznam nastavených parametrů, kontrola účinnosti sterilizace nebiologickými a biologickými indikátory. Každý sterilizační cyklu se dokumentuje. Hlavním cílem této kapitoly je definovat různé sterilizační postupy a jejich aplikace na polymerních materiálech a diskutovat o nich. Chceme se zaměřit na porozumění výhodám a nevýhodám různých sterilizačních postupů a jejich kompatibilnost s daným materiálem, neboť prostředků a postupů pro dosažení účinné sterilizace bez poškození polymerního materiálu je velmi málo. Následně budou uvedeny alespoň některé faktory, které musí být zohledněny při aplikacích na polymerní materiály, jako jsou: • teplo při sterilizaci může deformovat materiál, • zkroucení nebo natavení tepelně labilních plastových materiálů omezuje použití suchého tepla a páry, • záření může poškodit povrch, rychlé elektrony mohou pronikat do materiálu a vyvolávat nežádoucí reakce, • chemikálie mohou zanechávat toxická rezidua (formaldehyd, glutaraldehyd, ethylenoxid), • změna barvy produktu, • uvolňování neúnosného zápachu. 200

2 dil kap 9_10.p65

200

23.7.2008, 13:46

9.1 Definice sterilizace Sterilizace zdravotnických produktů, materiálů (biomateriálů) je speciální proces předpokládající úplnou inaktivaci všech živých forem života nebo reprodukce. To znamená, že je dosaženo pravděpodobnosti např. 10-6. Validací (potvrzením) sterilizace je materiál, který je prostý všech forem živých mikroorganismů, včetně spor (Bacillus anthracis), které jsou rezistentní (odolné) vůči záření, spor odolných vlhkosti (Geobacillus stearothermophilus) a půdních bakterií odolných ethylenoxidu (Pyronema domesticatum) a spor vytvářejících organismy (Bacillus antrophaeus). Klasická sterilizace je absolutní proces, který zničí nebo eliminuje všechny mikroorganismy. Tento proces nesmí být zaměňován s dezinfekcí nebo dekontaminací, protože při těchto procesech nedochází k úplnému odstranění mikroorganismů. Pro charakterizaci sterilizace se zavádí tzv. D-hodnota (decimal reduction value – desetinná redukční hodnota), která vyjadřuje dobu sterilizační dávky, při které dojde k inaktivaci mikrobiální populace o jeden logaritmus nebo o 90 %. Zjednodušeným vyjádřením rovnice pro D-hodnotu je Stumbova rovnice, (9.1) Dv = čas/log N0 - log Nb, kde N0 je počáteční populace mikrobů nebo spor a N b je populace mikrobů nebo spor přeživších po expozici sterilizačním podmínkám. Další důležitou veličinou je SAL (Sterility Assurance Levels – úroveň zaručené sterilnosti). Pro Evropu je absolutní hodnota SAL rovna 10-6, v USA jsou rozlišovány dvě hodnoty, (i) pro výrobky s povrchovou aplikací hodnota SAL je rovna 10-3, (ii) pro invazivně aplikované produkty se jedná o hodnotu SAL 10-6. Považuji za užitečné upozornit na vztah mezi velikostí sterilizovaného materiálu a možností detekovat kontaminované místo obvyklými postupy. Platí, že se zvětšující se velikostí sterilizovaného materiálu klesá pravděpodobnost Velikost vzorku ñ celkov˝ poËet testovan˝ch jednotek

Moûnost nenalezenÌ kontaminovanÈho produktu 50 %

5%

0, 5 %

% kontaminace p¯i testov·nÌ 10 jednotek

6,7 %

25,9 %

41,1 %

% kontaminace p¯i testov·nÌ 20 jednotek

3,4 %

13,9 %

23,3 %

Tab. 9.1: PravdÏpodobnost nalezenÌ kontaminace vzorku v†z·vislosti na velikosti hodnocenÈ oblasti (P¯evzato: Rogers, 2005) 201

2 dil kap 9_10.p65

201

23.7.2008, 13:46

nalezení kontaminovaného místa. Pro zajištění 100 % sterilnosti by bylo třeba testovat celý vzorek, čímž by nezůstal žádný materiál pro zamýšlenou aplikaci.

9.2 Testov·nÌ sterilnosti Existují dva základní testy pro hodnocení sterility: (i) odběr vzorků a testování sterility, (ii) aplikace a využití biologických indikátorů. Při testování sterilnosti vzorku je třeba sledovaný vzorek umístit do vhodného sterilního média a monitorovat bakteriální růst (ISO 11737-2[72]). Pro toto hodnocení existuje statistický vztah mezi velikostí vzorku a pravděpodobností, že bude opominuta nesterilní oblast s různou hodnotou kontaminace. Testování sterility pomocí biologických indikátorů (BI) je snazší. Typický biologický indikátor obsahuje vysoce rezistentní spory, které jsou umístěny na produktu před sterilizací. Tyto indikátory mají v přebytku vysokou mikrobiální populaci ve srovnání s běžnými produkty. Kombinace vysoké mikrobiální populace a vysoké rezistence spor Teorie a kinetika destrukce mikroorganism˘ Teoretick˝ p¯Ìklad ¯·du usmrcenÌ bakteri·lnÌ populace (pro fyzik·lnÌ nebo chemick˝ zp˘sob) »asov˝ Bakterie ûijÌcÌ Bakterie Bakterie Logaritmus p¯ÌspÏvek v†poË·tku usmrceny p¯eûÌvajÌcÌ p¯eûit˝ch Ëasov˝ch bÏhem jednoho p¯i ËasovÈm p¯Ìr˘stk˘ ËasovÈho p¯Ìr˘stku p¯Ìr˘stku PrvnÌ 1†000 000 900 000 100 000 5 Druh˝ 100 000 90 000 10 000 4 T¯etÌ »tvrt˝ P·t˝ äest˝ Sedm˝ Osm˝ Dev·t˝ Des·t˝ Jeden·ct˝

10 000 1 000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001

9 000 900 90 9 0,9 0,09 0,009 0,0009 0,00009

1 000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001

3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

Dvan·ct˝

0,00001

0,000009

0,000001

-6

Tab. 9.2: Teorie a kinetika mikroorganism˘ p¯i sterilizaci (P¯evzato: Rogers, 2005) 202

2 dil kap 9_10.p65

202

23.7.2008, 13:46

tak dělá z biologického indikátoru vhodný nástroj pro určení sterilnosti a definování sterilizačních podmínek. Statistika sterilizace je založena na přijetí skutečnosti, že mikroorganismy jsou usmrcovány nebo inaktivovány podle logaritmického vyjádření rovnice prvního řádu. Tento předpoklad je přiměřeně pravdivý pro laboratoře nebo čisté prostory. Samozřejmě existují odchylky od tohoto kinetického modelu. P¯Ìklad inaktivace mikrobi·lnÌ populace p¯i Expozice Mikrobi·lnÌ D hod- Log p¯eûivËas, min populace nota öÌch mikroorganism˘ 0 1†000 000 0 6 log 2 100 000 1 5 4 6 8 10 12 14 16 18

10 000 1 000 100 10 1 0,1 0,01 0,001

20 21 22

0,0001 0,00001 0,000001

n·r˘stu expozice sterilizaci Log usmr% cen˝ch mikro- p¯eûivöÌ organism˘ polulace 0 100 1 10

2 3 4 5 6 7 8 9

4 3 2 1 0 -1 -2 -3

2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12

-4 -5 -6

10 11 12

1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 0,0000001 0,00000001 0,000000001

Tab. 9.3: P¯Ìklad inaktivace mikrobi·lnÌ populace p¯i n·r˘stu expozice sterilizaci (P¯evzato: Rogers, 2005) 1000 100 10 1 0,1 0,01

D-hodnota

0,0001 0,00001 0,000001 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

203

2 dil kap 9_10.p65

203

23.7.2008, 13:46

9.3 Metody sterilizace a jejÌ ˙skalÌ Sterilizovatelnost biomedicinálních polymerů je důležitým aspektem pro hodnocení jejich vlastností s ohledem na nižší termickou a chemickou stabilitu polymerů ve srovnání s ostatními materiály používanými v medicíně, jako jsou kovy a keramika. Běžně užívanými sterilizačními postupy pro tyto materiály jsou suché teplo, horká pára (autokláv), záření a ethylenoxid (Block, 1977). Při sterilizace suchým teplem se teploty pohybují obvykle mezi 160 až 190 °C. To je nad teplotou tání a změkčení mnoha lineárních polymerů, jako je polyethylen (PE) a polymethylmethakrylát (PMMA). V případě polyamidu (PAD) se může při sterilizaci suchým teplem projevit vliv oxidace, přestože nebylo dosaženo teploty tání (Tm). Jedinými polymery, které mohou být bezpečně sterilizovány suchým teplem za standardních podmínek, je polytetrafluorethylen (PTFE) a silikonový kaučuk. Sterilizace párou (autokláv) probíhá za vysokého tlaku a relativně nízké teploty (125–130 °C). Jestliže polymer neodolává vlivu horké vodní páry, tato metoda musí být vyloučena. Do této kategorie patří např. polyvinylchlorid (PVC), nízkohustotní polyethylen (LDPE) a polyamid (PAD). Chemické prostředky, jako je ethylenoxid a propylenoxid (Laser, 1979), roztoky fenolu a chlornanu sodného (SAVO), jsou široce využívány pro sterilizaci SÌùovatelnÈ polymery

DegradovatelnÈ polymery

Polyethylen

Polyizobutylen

Polypropylen

Poly- -methylstyren

Polystyren

Polymethylmethakryl·t

Polyakryl·ty

Polymethakrylamid

Polyakrylamid

Polyvinyliden chlorid

Polyvinylchlorid

Celuloza a deriv·ty

Polyamidy

Polytertrafluorethylen

Polymethakrylamid Pryûe Polysiloxany Polyvinylalkohol Polyakrolein

Tab. 9. 4: Vliv gama z·¯enÌ na polymery, kterÈ mohou b˝t jeho ˙Ëinkem zesÌùov·ny nebo degradov·ny 204

2 dil kap 9_10.p65

204

23.7.2008, 13:46

polymerů při nízké teplotě. Chemické prostředky však způsobují narušení polymerního povrchu zvláště tehdy, dochází-li ke sterilizaci při pokojové teplotě. Ačkoliv je doba expozice činidla relativně krátká (přes noc), většina polymerních implantátů může být touto metodou sterilizována. Při sterilizaci zářením (Sato, 1983) je využíván izotop 60Co (kobalt). I při tomto způsobu sterilizace může dojít k poškození polymeru, zvláště při vyšších dávkách záření dochází ke štěpení řetězce nebo naopak k jeho zesíťování, a to podle charakteru chemické struktury polymeru, jak ukazuje tabulka 9. 4. V případě polyethylenu dochází při vysoké dávce záření (kolem 106 Gy) ke zkřehnutí materiálu. To je způsobeno rekombinací náhodně rozštěpených řetězců a síťovací reakce. Při ozařování polypropylénových výrobků často dochází k vyblednutí nebo k nežádoucí změně odstínu, ale mnohem závažnějším problémem je zkřehnutí polymeru, které vede k okrajovým lomům. Fyzikální vlastnosti polymerů se zhoršují s dobou ozařování. V následujícím textu bude každá z metod sterilizace stručně pojednána a zhodnocena. Způsoby sterilizace mohou být rozděleny v zásadě do dvou skupin: (i) fyzikální sterilizace, (ii) chemická sterilizace.

9.4 Fyzik·lnÌ zp˘soby sterilizace V tomto odstavci budou charakterizovány zejména tyto způsoby: (a) sterilizace vlhkým teplem, která se řídí ČSN EN 554 „Sterilizace zdravotnických prostředků validace a pravidelná kontrola sterilizace vlhkým teplem“, (b) sterilizace proudícím horkým vzduchem, která se provádí v přístrojích s nucenou cirkulací vzduchu, (c) sterilizace plazmou – využívá plazmy vznikající ve vysokofrekvenčním elektromagnetickém poli, které ve vysokém vakuu působí na páry peroxidu vodíku nebo jiné chemické látky, (d) sterilizace radiační – účinek vyvolává gama záření v dávce 25 kGy. Používá se při průmyslové výrobě sterilního jednorázového materiálu, případně ke sterilizaci exspirovaného zdravotnického materiálu. Postupuje se podle ČSN EN 552.

9.4.1 Sterilizace p·rou Aplikace horké páry je klasická sterilizační metoda, která je uznávána pro svoji jednoduchost, efektivnost, nízké náklady a rychlost aplikace. Kromě toho je přijatelná pro životní prostředí a bezpečnost obsluhy. Avšak počet polymerních materiálů, které jsou tolerantní k vysoké teplotě a vlhkosti, je malý. Sterilizace vlhkým teplem (párou) probíhá v parních přístrojích (autoklávech). Standardními podmínkami jsou teplota 121 °C po dobu 15 minut, rychlejší sterilizace 205

2 dil kap 9_10.p65

205

23.7.2008, 13:46

probíhá při 134 °C, pomalejší při 115~100 °C. Při klesající teplotě sterilizace je třeba pro dosažení stejného sterilizačního účinku prodlužovat čas. K sterilizaci vlhkým teplem patří také přerušovaná frakcionovaná sterilizace, která je prováděna varem (100 °C) působícím po dobu 30 min v 18–24 hodinových intervalech tři dny po sobě jdoucí (podobný postup je tyndalizace).

9.4.2 Sterilizace such˝m teplem Sterilizace suchým teplem (depyrogenace) je jedna z nejstarších metod, často užívaná v průmyslu s výjimkou farmaceutických aplikací. Tato metoda je využívána zejména pro sterilizaci dentálních nástrojů, protože riziko koroze je zde minimální. Dále je možno ji využít pro sterilizaci některých polymerů jako akrylonitryl-butadien-styren (ABS), ko-polyester, polyuretan (PU), silikon, Teflon, polyether-keton (PEEK), ale také pro kovy, keramiku oleje, atd. Teplotní podmínky versus čas jsou pro sterilizaci suchým teplem následující: • 170 °C – 60 min • 160 °C – 120 min • 150 °C – 150 min • 140 °C – 180 min V praxi jsou pro tento typ sterilizace využívány především horkovzdušné sušárny a tunely s infračerveným (IČ) ohřevem. Nevýhodou tohoto způsobu sterilizace je pomalost, dlouhé sterilizační časy ve srovnání s parní sterilizací, omezený výběr materiálů, omezené možnosti použitých obalů s ohledem na působení sterilizačního tepla.

9.4.3 Sterilizace filtracÌ Pro aseptické (sterilní) procesy může být pro odstranění mikroorganismů využita filtrace, která je využívána zejména pro sterilizaci kapalin, léčiv, místností a dalších prostor, kde nemůže být využit jiný postup. Filtraci rozlišujeme na (i) porézní – na membráně, (ii) hloubkovou, (iii) s nábojem nebo (iv) absorpční. Při filtraci může být také využívána osmóza nebo ultrafiltrace. Při sterilizaci filtrací je nutné definovat velikost póru ve filtru. Membrány jsou obvykle vymezeny velikostí póru 0,45 a 0,22 mikrometru (standardně akceptováno pro kapaliny) a 0,1 mikrometru.

9.4.4 Plazmov· sterilizace Sterilizace plazmou využívá plazmy vznikající ve vysokofrekvenčním elektromagnetickém poli, které ve vysokém vakuu působí na páry peroxidu vodíku 206

2 dil kap 9_10.p65

206

23.7.2008, 13:46

nebo jiné chemikálie. Sterilizační parametry a podmínky sterilizace, stejně tak i druh materiálu, který se takto sterilizuje, jsou dány typem přístroje. Sterilizace plazmou není používána pro sterilizaci porézního a savého materiálu vyrobeného na bázi celulózy. Na základě teploty, která ovlivňuje prostředí, ve kterém je sterilizace prováděná, rozlišujeme plazmu studenou a teplou. Studená plazma má podíl ionizovaných částí malý – asi 1 %. Teplota iontů je blízká okolní teplotě, ale rychlost pohybu elektronů odpovídá teplotám několika tisíc stupňů. Protože hmotnost elektronů je zanedbatelná, je vliv jejich teploty na výslednou teplotu plazmy velmi nízký. Plazma působí asi do hloubky 0,01 až 0,1 mikrometru a má často pozitivní vliv na povrchové vlastnosti materiálu. Může docházet k jeho čištění, odstranění kontaminujících složek, oxidaci, a tím k nárůstu povrchového napětí a zlepšení snášenlivosti. Z biodegradabilních polymerů užívaných pro medicínské účely lze studenou plazmu použít pro sterilizaci polylaktidu (PLA), pro něhož je osvědčené ošetření plazmou v přítomnosti kyslíku nebo oxidu uhličitého. Sterilizace studenou plazmou je ideální pro sterilizaci biomedicínckých zařízení. Je finančně méně náročná než sterilizace elektronovým paprskem, je méně toxická, než je ethylenoxid, a také je méně agresivní než sterilizace nasycenou vodní parou. Další výhodou je krátká doba sterilizační procedury. Horká plazma se při sterilizaci polymerů s ohledem na možné destruktivní změny nepoužívá.

9.5 Vliv plazmy na polymery Polymery lze účinkem plazmy také různě modifikovat – zejména jejich povrchové vlastnosti. Plazmy se využívá například k antimikrobiálním úpravám iontovým povlakováním stříbrem. Přímé modifikace povrchů polymerů pomocí plazmy se liší podle použitých plynů a jejich účinků na polymer. Příkladem používaných plynů může být například kyslík, oxid uhličitý, směs kyslík/vodík, směs kyslík/argon, směs kyslík/tetrafluoromethan, atd. Působením plazmy v přítomnosti kyslíku, argonu nebo vodíku na silikon dochází ke zvýšení smáčivosti jeho povrchu vlivem zavedení polárních skupin. Migrací těchto skupin z povrchu do objemu polymeru může dojít ke vzniku hydroskopického obalu (Rangel et al. 2004). Polypropylen je vzhledem ke svým mechanickým vlastnostem a chemické stabilitě důležitým technickým plastem. Jeho hydrofobní povaha ho předurčuje jen pro vodoodpudivé aplikace a jeho pevnost při pojení je nedostatečná. Zlepšení těchto vlastností lze dosáhnout účinkem plazmy. Plazmatické úpravy pomocí plynů, jako je dusík, kyslík a čpavek, zlepšují jeho pevnost při pojení 207

2 dil kap 9_10.p65

207

23.7.2008, 13:46

polymerních filmů. Při aplikaci dichlormethanu lze zvýšit smáčivost polypropylenového povrchu a pevnost ve spoji. Hydrofilní modifikace lze dosáhnout použitím tetrachlormethanu nebo trichlormethanu a polymerizací (Gogolewsli et al., 1998). Citlivé složky pro medicínské aplikace mohou být sterilizovány účinkem nové parně-peroxidové-plazmové sterilizace Steriplas1000, která vyhovuje požadavkům normy ISO 14937. Procesní teploty této technologie jsou 45~50 °C, výhodou je relativně rychlý sterilizační cyklus –přibližně dvě hodiny. Tyto nízké procesní teploty umožňují sterilizaci medicínských materiálů citlivých na teplotu, jako je například polyethylen (PE) a polyvinylchlorid (PVC). Další výhodou této technologie je možnost působení ionizující radiace molekulových změn vedoucích ke změnám vlastností materiálu (Compamed, 2008).

9.6 Sterilizace radiaËnÌ Již v roce 1896 bylo zjištěno, že rentgenové paprsky jsou schopny inaktivovat mikroorganismy, a tak se toto záření s vynikající penetrací a rychlou aplikací stalo „všelékem“ pro průmyslové sterilizace. Nevýhodou radiační sterilizace jsou vysoké počáteční kapitálové náklady, nekompatibilnost s některými polymerními materiály, strach z radiace a nakládání s radioaktivními odpady v případě aplikace gama záření. Sterilizace gama zářením má dlouhou historii, využívá se již od 30. let minulého století. Sterilizace elektronovým paprskem je stále více využívána kvůli své vysoké penetraci. Obě metody jsou pro sterilizaci téměř rovnocenné. Sterilizace zářením je upřednostňována zejména pro medicínská zařízení, obalový materiál, chirurgické sety, laboratorní vybavení a některé kosmetické a farmaceutické výrobky. Obvykle užívaná dávka při radiační sterilizaci je 25 kGy z kobaltového izotopu 60Co, při realizaci na vzduchu. Jednotkou záření je 1 Gray (Gy) = 1 J/kg, čímž se rozumí absorpce jednoho joulu radiační energie jedním kilogramem hmoty. Dávka může být také měřena v Rads, kde 100 Rads = 1 Gray. Dříve užívané jednotky jsou Bq (becquerel) – jednotka aktivity: 1 Bq = 1 decay/s; Curie (Ci) – stará jednotka: Ci = 3.7 *1010 Bq; Gy, kGy – jednotka absorbované dávky: 1 Gy = 1 J/kg, 1 kGy = 1 kJ/ kg; rad, Mrad – stará jednotka: 1 rad = 0.01 Gy, 1 Mrad = 10 kGy Dalšími užívanými zdroji radiačního záření jsou 137Cs (cesium), elektronové záření (beta-záření, E-beam, urychlené elektrony) a ultrafialové (UV) záření. V důsledku působení radiace na polymerní materiál může docházet k různým strukturálním změnám: • zvýšení krystaliniky, a tím i hustoty materiálu, • zvýšení stupně oxidace povrchu, • únava materiálu a lomové změny. 208

2 dil kap 9_10.p65

208

23.7.2008, 13:46

Probíhá-li ozařování na vzduchu, tedy v přítomnosti kyslíku, může docházet ke vzniku volných radikálů, které dále iniciují buď větvení polymerního řetězce, síťovací reakci a nebo destrukci polymeru. Generování volných radikálů z polymeru vlivem záření probíhá následovně: • • • •

R R+ + e e- + R R+ + 2eR+ + e- R* RX* R• + X

generování volného elektronu ionizace vysoce excitovaný elektronový stav vznik volného radikálu

(9.2) (9.3) (9.4) (9.5)

Kyslík v součinnosti s vysokou energií záření umožňuje vznik volných radikálů: R• R+ R• + O2 RO2• RO2• + RH RO 2 H + R• RO 2H + RH RO• + H2 O + R• RO• + RH ROH + R• OH • + RH H 2O + R• RO2 H, RO2•, R. 2RO2• RO 2R + O2

propagace větvení řetězce

štěpení a síťování terminace

(9.6) (9.7) (9.8) (9.9) (9.0) (9.11) (9.12) (9.13)

9.7 ChemickÈ zp˘soby sterilizace Chemická sterilizace je určena pro materiály, které nelze sterilizovat fyzikálními způsoby. Sterilizačním médiem jsou plyny předepsaného složení a koncentrace. Sterilizace probíhá za stanoveného přetlaku nebo podtlaku při teplotě do 80 °C. Pracuje-li přístroj za podtlaku, na konci sterilizačního cyklu musí následovat zavzdušnění komory přes antibakteriální filtr.

9.7.1 Sterilizace ethylenoxidem Sterilizace ethylenoxidem (EO), nazývaný též oxiran, je velmi významná metoda využívaná pro sterilizaci medicínských zařízení a v nemocnicích. Ethylenoxid je za normálních podmínek bezbarvý plyn těžší než vzduch. Pod teplotou 10,7 °C se vyskytuje jako bezbarvá kapalina s hustotou 899 kg.m-3 a tuhne při teplotě -111,3 °C. Patří mezi velmi reaktivní sloučeniny a je velice dobře rozpustný ve vodě i v organických rozpouštědlech. Při vyšších koncentracích (0,9 g.m-3) je cítit a zápach se podobá etheru. Patří mezi těkavé organické látky. Molekula ethylenoxidu je znázorněna na obr. 9.2. 209

2 dil kap 9_10.p65

209

23.7.2008, 13:46

O

H 2C

CH2

Obr. 9.2: Struktura molekuly ethylenoxidu Většina ethylenoxidu se spotřebuje přímo v místech, kde se vyrábí. Ve směsi s dusíkem nebo oxidem uhličitým slouží ke sterilizaci potravin, kosmetiky, oblečení, plastových výrobků, chirurgických nástrojů a dalšího lékařského vybavení (obvazy). Ethylenoxid je velmi toxická látka. Jeho zdravotní rizika při expozicích zvýšeným množstvím jsou velmi závažná (karcinogenita, mutagenita). Podle klasifikace EPA (Environmental Protection Agency) patří ethylenoxid mezi lidské karcinogeny (leukémie, rakovina slinivky břišní a pobřišní dutiny). Způsobuje také tzv. Hodgkinovu nemoc. Je teratogenní a mutagenní, vyvolává chromozomální poškození krevních lymfocytů (Harte et al, 1991). Další komplikací při aplikaci ethylenoxidu je skutečnost, že jeho směs se vzduchem je velmi výbušná. Směšovat ho lze jen s nehořlavými plyny, jako je dusík, oxid uhličitý nebo freony. Jako příklady takových směsí lze uvést: 8,5 % EO/91,5 % CO2; 100 % EO s/bez dusíku; 20 % EO/80 % CO2. Limitujícím faktorem pro aplikaci EO při sterilizaci je omezená schopnost difundovat do vnitřních prostor moha výrobků. Rezidua EO mohou vyvolat podráždění, rozpad červených krvinek (hemolýzu), přecitlivělost nebo potenciální karcinogenitu nebo genotoxicitu. Sterilizace zboží, např. chirurgických setů nebo obvazů, může být prováděna ve velkých kartonech. Nevýhodou je podstatně delší doba nutná k jeho odvětrání. I při předehřívání palet na teplotu 50 °C je potřebná doba velmi variabilní a může vyžadovat řadu dnů. Proces odvětrávání však nevyžaduje přítomnost obsluhy. Na území ČR je sterilizace ethylenoxidem (EO) prováděna v Biosteru (Veverská Bitýška).

9.8 AlternativnÌ metody chemickÈ sterilizace Řada dalších chemikálií může být využita pro sterilizaci, většina z nich má silné oxidační účinky. Jedná se například o peroxid vodíku, oxid chloričitý, kyselinu peroxooctovou, ozón nebo plynný formaldehyd. 210

2 dil kap 9_10.p65

210

23.7.2008, 13:46

Ozón je tříatomová molekula kyslíku, O3. Má silné oxidační a bělící účinky, ale také nepříznivé chemické účinky. Způsobuje změny na oceli, mosazi a některých polymerech. V hloubce penetrace nedosahuje účinku EO. Je velmi toxický a jeho okamžitá hladina nebezpečná pro zdraví (Immediately Dangerous Level to Health – IDLH) je 5 ppm (parts per milion~1 miliontina). Plynný formaldehyd je užíván méně, než tomu bylo dříve, protože byla prokázána jeho toxicita a karcinogenita. Dosud je používán hlavně v Asii, Japonsku a Indii při dezinfekci místností. Je navrženo, aby hodnota IDLH dosahovala maximálně 20 ppm. Nízkoteplotní páry formaldehydu jsou užívány v některých evropských zemích (Velká Británie, Holandsko, Německo) jako alternativa k ethylenoxidu (EO). Pro jejich účinnou aplikaci se vyžaduje vyšší teplota asi 65~85 °C a vyšší relativní vlhkost. Formaldehyd rozpuštěný v ethanolu je požíván pro sterilizaci speciálních lékařských nástrojů, protože minimalizuje korozi a ztupení ostrých nástrojů. Glutaraldehyd je často používán jako alternativa k formaldehydu, a to ve formě roztoku. Tento dialdehyd vykazuje nižší toxicitu než formaldehyd. Užívá se zásadně pro výrobky bez obalu. Je podezření, že zanechává nebezpečná rezidua. Peroxooctová kyselina, (Peracetic acid – PAA) je ideální antimikrobiální prostředek s vysokým oxidačním potenciálem. Kyselina peroxooctová je vysoce účinná a nezpůsobuje deaktivaci katalázy a peroxidázy – enzymů, které štěpí peroxid vodíku. Kyselina peroxooctová nemá nebezpečná rezidua, protože jimi jsou kyselina octová a peroxid vodíku. Může být aplikována v širokém rozmezí teplot (0~40 °C) a v širokém rozmezí pH (3,0–7,5). Mechanismus jejího účinku je následující: kyselina peroxooctová zabíjí mikroorganismy oxidací a následným protržením buněčné membrány hydroxylovým radikálem (OH•). Protože difúze radikálu je pomalejší než poločas jeho rozpadu, bude tento radikál reagovat s jinou oxidovatelnou sloučeninou ve svém okolí. Tak může potenciálně zničit všechny makromolekuly spojené s mikroorganismy: sacharidy, nukleové kyseliny, lipidy i aminokyseliny. To nakonec povede k rozpadu buněk (dezintegraci) a k mikrobiální smrti. O

H3C

C

O OH

Oxid chloričitý (ClO2) je více kompatibilní s polymery než chlór, je používán při nízkých teplotách (27~30 °C), v koncentraci 10 mg/l a při 80% relativní vlhkosti. Má schopnost ničit jinak odolné spory, z bezpečnostních důvodů musí být generován v místě aplikace. Jeho hodnota IDLH je 5 ppm. 211

2 dil kap 9_10.p65

211

23.7.2008, 13:46

Mezi potenciální sterilizační aplikace a vývojové sterilizační techniky patří bezesporu: Pulzní světelná sterilizace (Pulsed-Light Serilisation) je proces, který byl představen na trhu teprve před 10 lety jako PureBright systém (zastoupen firmou Pure Pulse Technologies, San Diego, CA, USA), (Hurrel, 1998). Intenzivní světlo zahrnuje UV oblast, ale ta sama nezpůsobuje úplnou inaktivaci mikrobů. Světlo lampy zahrnuje široké spektrum od UV oblasti až po IČ, s intenzitou 20 000–90 000krát větší, než má sluneční světlo. Sterilizace může proběhnout v jedné vteřině. PureBright má podobné složení spektra jako sluneční světlo blízko mořské hladiny, ale se dvěma zásadními odlišnostmi: (i) spektrum má 90 000krát vyšší intenzitu než sluneční světlo na zemském povrchu, (ii) oblast UV s vlnovou délkou 200–300 nm je za normálních okolností odfiltrována atmosférou Země. Tento proces spolehlivě zabíjí spory, mikroorganismy, viry a deaktivuje enzymy. Efektivnost závisí částečně na tom, jestli je patogenní organismus vystaven světlu přímo, nebo je něčím překryt. Pořizovací náklady zařízení nejsou příliš vysoké. Potenciální aplikace by se mohly týkat aseptických filmů, finální sterilizace léčiv a zařízení uložených v transparentních kontejnerech. Touto technologií může být sterilizována krevní plazma a jiné krevní komponenty, biofarmaka i vakcíny. PureBright technologie je kompatibilní s polyamidy, polypropylenem a většinou polyethylenů. Degradačními fotoprodukty procesu se není třeba zabývat. Jód je znám dlouhou dobu svými antiseptickými vlastnostmi a tím, že je více kompatibilní s lidskou tkání než většina sterilizačních prostředků (Chemical Sterilisation, 1973). Jód je používán jako pohotovostní sterilizační prostředek. Zabíjí nebo inaktivuje spory. Může být přiveden k bakteriím v plynné podobě. To může být zprostředkováno jeho sloučeninou – jodmethanem, který se může vypařit a v přítomnosti světla opět uvolnit jód. V nedávné době byla patentována sterilizační aplikace jodmethanu na Univerzitě v Kalifornii (Grech et al.1996; Grech et al. 1998). Jódmethan je pro některé aplikace bezpečnější než ethylenoxid nebo záření.

212

2 dil kap 9_10.p65

212

23.7.2008, 13:46

9.9 P¯ehled d˘leûit˝ch definic a pojm˘ Aseptický – bez přítomnosti mikroorganismů, sterilní. Helmintóza – onemocnění vyvolané cizopasnými (parazitujícími) červy, např. tasemnicí, roupy, škrkavkami. Hemolýza – rozpad červených krvinek (erytrocytů), přesněji jejich předčasný zánik. Hodgkinova nemoc (Hodgkinův lymfom, vysl. hodžkin, maligní lymfogranulom) – maligní onemocnění lymfatických (mízních) uzlin. Inaktivace – potlačení aktivity. Některé toxiny bakterií se inaktivují varem, u některých je však tato inaktivace nespolehlivá. Invazivní – pronikající, vnikající. Invazivní vyšetřování – způsob vyšetřování, při němž vyšetřovací přístroje či nástroje pronikají dovnitř organismu. Kataláza – enzym rozkládající peroxid vodíku na vodu a molekulární kyslík Osmóza – pronikání rozpouštědla z méně koncentrovaného roztoku do roztoku koncentrovanějšího skrz polopropustnou membránu (blánu), která nepropouští rozpuštěné látky. Výsledným stavem je dosažení stejné koncentrace (osmolality) na obou stranách membrány. Osmóza je běžným procesem v lidském organismu, uplatňuje se zejm. při hospodaření s vodou a při její distribuci v těle. Peroxidáza – enzym rozkládající peroxid vodíku za vzniku (aktivního) kyslíku, který často oxiduje okolní sloučeniny. Protozoa – prvoci. Jednobuněčné organismy, z nichž některé vyvolávají lidská onemocnění. Pyrogen – látka vyvolávající horečku. Pyrogenní účinky mají některé bakterie, ale i látky vznikající v organismu samém, např. jako reakce na infekci, nádor, rozsáhlejší úraz aj. Reziduum – zbytek, zůstatek. Spora – klidová forma (převážně tyčinkovitých) bakterií sloužící k jejich šíření a rozmnožování. Vzniká zahuštěním plazmatického obsahu, který je krytý dvěma blankami: vnitřní jemnou intinou a vnější silnou exinou. Látková přeměna spory je omezena na minimum, chemické složení (proti vegetativní formě buněk) je odlišné. Vzniklý kulovitý až eliptický útvar klíčí po odumření rodičovské buňky. Spory jsou vysoce odolné (rezistentní) proti vnějšímu prostředí a některé sporulující mikroorganismy jsou proto vysoce patogenní pro člověka a zvířata. Vyskytují se hlavně u bakterií rodu Bacillus a Clostridium. Tyndalizace – přerušované zahřívání tekutin s cílem zničit spory mikroorganizmů. 213

2 dil kap 9_10.p65

213

23.7.2008, 13:46

9.10 DoporuËen· a pouûit· literatura Gogolewski, S. et al. (1998), Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 32, Iss. 2. Grech, N. M. et al. (1996), Methyl iodide as a soil fumigant, US 5,518,692. Grech, N. M. et al. (1998), Methyl iodide as a fumigant, US 5,753,183. Harte J., Holdren C., Schneider R., Shirley Ch. (1991), Toxics A to Z, A Guide to Everyday Pollution Hazards, University of California Press. http://www.compamed.de/cipp/md_compamed/custom/pub/content,lang,2/ oid,17145/ticket,g_u_e_s_t/local_lang,2/~/Gentle_Sterilization_Treatment_ for_Sensitive_Components.html, [online 1. 2. 2008]. http://www.studerhard.ch/html/sterilization.htm [online 1. 2. 2008]. Hurrell, D. J. (1998), Medical Plastic and Biomaterials, 5, 26. Chemical Sterilisation, Ed., P. M. Borick, Dowden, Huntchinson and Ross, Inc., Stroudsburg, PA, USA. pp. 227–235. Rangel, E. C. et al. (2004), Plasmas and Polymer, Vol. 9, No. 1 March. Rogers, W. (2005), Sterilisation of Polymer Healthcare Products, Rapra Technology Limited, Shawbury, Shrewsbury, Shropshire, UK.

214

2 dil kap 9_10.p65

214

23.7.2008, 13:46

10. Biomechanika vybran˝ch lidsk˝ch tk·nÌ Luk·ö »apek

⁄vod do biomechaniky Téměř na celém světě se dnes do popředí mechaniky dostávají nová odvětví. Mezi ně patří například biomechanika. Je to relativně mladý obor, jehož moderní počátky můžeme datovat k padesátým létům dvacátého století. Co vlastně biomechanika je? Kde se vzala? O čem pojednává? Podíváme-li se do Masarykova slovníku naučného, najdeme pod termínem biomechanika následující výklad: „Podle Delagea nauka o příčinně podmíněných dějích životních, ať se vyvíjejících, ať již hotových, tedy vývojová mechanika i fysiologie zároveň.“ A kdo vlastně byl onen Delagea? Yves Delagea byl francouzský zoolog, profesor působící na pařížské univerzitě na přelomu minulého století. Mezi jeho nejznámější díla bezesporu patří: „La structure du protoplasma“. Dílo „Složení protoplazmy“ přišlo téměř třicet let po objevu J. E. Purkyně, který jako první (s ním také německý anatom T. Schwam) došel k závěru, že buňky jsou základní stavební jednotkou všech živých rostlin i živočichů. Přesto nebyl první, kdo použil název „buňka“ pro základní stavební hmotu. Byl jím Robert Hook, anglický fyzik a astronom, o sto padesát let dříve. Zoolog, biolog, anatom, fyzik a biomechanika? Nezačíná to být poněkud nepřehledné? Pravdou je, že všechna tato jména a stovky dalších mají svůj nezvratný podíl na vývoji a vzniku moderní, soudobé biomechaniky. Biomechanika „vykrystalizovala“ z takových předmětů jako mechanika, matematika, biologie, anatomie a právě na takových jménech jako jsou Hook, Purkyně a další. Můžeme tedy říci, že biomechanika je mechanika aplikovaná v biologii. Pomáhá nám porozumět funkcím organismů a předvídat jejich změny. V roce 1967 se ve švýcarském Zürichu konal „První mezinárodní biomechanický seminář“, který byl zaštítěn organizací UNESCO. Kongresu se zúčastnilo dvě stě účastníků z celého světa. Byl to mezník v moderní biomechanice. Přestože se biomechanika stala nezávislým studijním oborem a je snad momentálně na výsluní z ostatních disciplín mechaniky, je stále a možná dnes i více než kdy jindy závislá právě na ostatních oborech.

215

2 dil kap 9_10.p65

215

23.7.2008, 13:46

10.1 ZobecnÏn˝ Hook˘v z·kon ñ anisotropie Většina biologických materiálů (kostní tkáň, kůže...) vykazuje anisotropní chování. Tudíž pro jejich popis chování musíme zjistit od 2 do 21 elastických konstant. Následující kapitola tvoří stručný úvod do popisu anisotropie materiálů. Omezíme-li se pro začátek na lineární teorii pružnosti, můžeme předpokládat, že každá ze šesti složek tenzoru napětí je lineárně úměrná jedné ze šesti složek tenzoru deformací. Tedy můžeme psát = Cijkl . . ij = Sijkl ij

kl kl

, ,

(10.1)

kde Cijkl je tenzor tuhosti a Sijkl nazýváme tenzorem poddajnosti, jednotlivé složky tenzorů pak elastickými koeficienty. Pokud složky tenzoru tuhosti (poddajnosti) nezávisí na uvažovaném místě v tělese, pak mluvíme o tělese homogenním. Jsou-li uvažované vlastnosti v daném místě tělesa v různých směrech odlišné, pak mluvíme o prostředí anisotropním a elastické koeficienty jsou přímo závislé. Je užitečné zavést zjednodušující zápis: ii

=

ii

=

ii

=e

ii

= eß

=i ß

ß = 9- (i + j) i = j

(10.2)

=i ß = 9- (i + j) i = j

Pak můžeme rovnici 10.1 rozepsat následovně

11

1

22

2

33

3

=

23

4

31

5

12

6

=

C11 C12 C13 C14 C22 C23 C24 C33 C34 C44 Identické (symetrie)

C15 C25 C35 C45 C55

(10.3) C16 C26 C36 C46 C56 C66

e1 e2 e3 e4 e5 e6

11 22

nebo

33

2 2 2

23 31 12

Toto schéma s 21 elastickými koeficienty odpovídá nejobecnějšímu případu anisotropie. Většina materiálů však vykazuje určité roviny symetrie, čímž se počet elastických koeficientů zmenší. 216

2 dil kap 9_10.p65

216

23.7.2008, 13:46

10.1.1 Roviny symetrie Nejjednodušším případem symetrie je symetrie dle jedné roviny. Mějme objekt s vlákny, viz obr. 10.1. Vlákna jsou rovnoběžná s osou X1. Materiál je symetrický dle roviny OX2X3. X3

X2

X1

X¥1

O

Obr. 10.1: Materi·l s†jednou rovinou symetrie Vztah mezi napětím a deformací je stejný v souřadném systému OX1X2X3 a OX1´X2X3. Elastické koeficienty jsou invariantní vůči transformaci. Pro transformaci použijeme následující vztah (10.4)

C´ ijkl = aim ajn akp alq Cmnpq , kde aij jsou směrové kosiny. V našem případě aij =

-1 0 0 0 1 0 0 0 1

(10.5)

Například tedy máme C´ 1222 = a11 a22 a22 a22 C1222 = -C1222

(10.6)

Jelikož však uvažované otočení nemá ovlivnit elastické koeficienty, musí být C1222 (C26) rovno nule. Následně dospějeme ke zredukovanému tenzoru tuhosti v následujícím tvaru C11 C12 C13 C14 0 0

C12 C22 C23 C24 0 0

C13 C23 C33 C34 0 0

C14 C24 C34 C44 0 0

0 0 0 0 C55 C56

0 0 0 0 C56 C66

(10.7)

217

2 dil kap 9_10.p65

217

23.7.2008, 13:46

Dalším častým případem je materiál s dvěma rovinami symetrie. Takový materiál pak označujeme jako ortotropní. Tenzor tuhosti má tvar C11 C12 C13 0 0 0

C12 C22 C23 0 0 0

C13 C23 C33 0 0 0

0 0 0 C44 0 0

0 0 0 0 C55 0

0 0 0 0 0 C66

(10.8)

Pokud má materiál nekonečně mnoho rovin symetrie, pak mluvíme o materiálu isotropním. Isotropní materiál má jen dva nezávislé elastické koeficienty. Tenzor tuhosti má tvar C11 C12 C12 0 0 0

C12 C11 C12 0 0 0

C12 C12 C11 0 0 0

0 0 0 C44 0 0

0 0 0 0 C44 0

0 0 0 0 0 C44

(10.9)

Za nezávislé koeficienty volíme C12 a C44. Relace mezi C11 a zbylými je následující C11 = C12 + 2C44 . (10.10) Pro nezávislé koeficienty máme zvláštní označení, a to následující: C12= , C44=µ. Tenzor upravíme do následujícího tvaru +2µ +2µ 0 0 0

0 0 0

0 0 +2µ 0 0 µ 0 0 0 0

0 0 0 0 µ 0

0 0 0 0 0 µ

(10.11)

V technické praxi se však zavádějí tzv. technické moduly: E, G, . Vztah mezi nimi je následující E=

µ(3 + 2µ) , +µ

=

2( + µ)

,

G=µ=

E , 2(1 + )

218

2 dil kap 9_10.p65

218

23.7.2008, 13:46

(10.12)

kde E se nazývá modul pružnosti (Youngův modul), G je modul pružnosti ve smyku a n se nazývá Poissonova konstanta. Anisotropie biologických materiálů bude probrána v následujících odstavcích.

10.2 UrËov·nÌ mechanick˝ch vlastnostÌ biologick˝ch tk·nÌ Popis biologických tkání nalezneme obdobný v každých základech anatomie člověka, přesto se experimentálně určené mechanické vlastnosti jednotlivých tkání liší autor od autora, obr. 10.2. Hlavním důvodem je způsob zkoumání kůže z hlediska experimentu, tedy jaký druh experimentu byl použit. Především se jedná o způsob provedení experimentu, v biomechanice máme tři hlavní možnosti, jakým způsobem provádět testy na biologickém materiálu, a to: • in vivo, z latiny „v živém“. Testy jsou provedeny na živém jedinci. Často se jedná o velmi komplikované experimenty s ohledem na etiku a bezpečnost zkoušených jedinců. Z pohledu získaných dat se ovšem jedná o velmi cenné experimenty, neboť jsou provedeny na konkrétních jedincích s imunitním systémem; • in vitro, z latiny „z těla“. Testy jsou provedeny na neživé tkáni, tedy na tkáni, která je získána z mrtvého jedince („kadaverů“). Především měkké tkáně podléhají velmi rychlé změně vlastností. Další velkou nevýhodou je změna okrajových podmínek, které následně při experimentu musíme často složitě domodelovávat. Výhodou zkoušek je většinou snadná manipulace se vzorky, na straně druhé experimenty podléhají přísným hygienickým a etickým pravidlům; • ex vivo, jedná se o zkoušky, kdy vzorky jsou obdrženy z žijících jedinců, zafixovány a velmi rychle zpracovány. Ve všech případech je nutný souhlas jedinců, od kterých jsou vzorky odebrány. Zkoušky podléhají přísným etickým a hygienickým normám. Z pohledu biomechaniky se jedná o kompromis mezi zkouškami in vivo a in vitro. Z pohledu mechaniky zatěžování se jedná nejčastěji o zkoušky základních namáhání, a to jednoosé či víceosé. Z pohledu časové osy se jedná o zkoušky statické či dynamické. U vlastností biologických tkání je velmi důležité zabývat se též strukturou tkáně. Jen tak můžeme porozumět problematice v širších souvislostech. 219

2 dil kap 9_10.p65

219

23.7.2008, 13:46

Obr. 10.2: NamϯenÈ moduly pruûnosti pro k˘ûi v†z·vislosti na typu testu a vÏku [P¯evzato: Wijn P. (1980)]

10.3 Biologie kostnÌ tk·nÏ Kostní tkáň je tvrdá pojivová tkáň, specializovaná na podpůrnou a ochrannou funkci. Kosti spolu s chrupavkami a vazivovými spoji tvoří pasivní pohybový orgán člověka. Podle tvaru rozeznáváme kosti dlouhé, krátké a ploché. Liší se od sebe především způsobem a průběhem vývoje. Většina součastných znalostí o lidské tkáni byla získána od roku 1960. Před tímto datem byl výzkum kostí založen výhradně na chemickém výzkumu, který nám svým zaměřením nemohl poskytnout důsledné informace. Vnitřní stavba kostí není u všech typů stejná. Kost se skládá z kolagenu, minerálů a proteinů. Nemineralizovaný prostor uvnitř kosti je vyplněn kostní dření. Kostní dřeň je tkáň, která je složená z cév, nervů a rozličných typů buněk. Hlavní funkcí kostní dřeně je vytvářet hlavní buňky obsažené v krvi. Pokud otevřeme desítky kostí rozličných tvarů a velikostí, odstraníme kostní dřeň, pak je zcela evidentní, že můžeme kosti posuzovat z hlediska pórovitosti. Pórovitost se mění od nuly do sta procent. Faktem je to, že v kostech je buď velice vysoká nebo velice nízká, zřídkakdy střední. Podle toho rozlišujeme kostní tkáň hutnou (substantia compacta) a kostní tkáň trámčitou (substantia 220

2 dil kap 9_10.p65

220

23.7.2008, 13:46

1 cm

Obr. 10.3: ÿez femurem, cortik·lis spongiosa). Objemové zastoupení obou tkání se liší dle kostních typů. U krátkých kostí (obratlů) je hutná kostní tkáň označována jako corticalis. Hutná kostní tkáň je nízce pórovitá (75–: 95 %) a tvoří povrch kostí, kdežto kostní tkáň trámčitá (5 –: 10 %) je vysoce pórovitá a tvoří tělo (vnitřek) kostí krátkých, obr. 10.3. Trámce cortikális jsou propojeny v prostorovou síť. Jestliže jsou kosti zatěžovány převážně určitým směrem, pak jsou trámce cortikális upraveny tak, že převažují směry odpovídající směru namáhání kosti (nezatížené trámce se ztenčují a zanikají). Mluvíme pak o kostní trajektorii a architektonice cortikális. Tato architektonika není vytvořena od počátku vývoje, vytváří se až v souladu se zatěžováním nebo traumatem kostí. Je nutné si tedy uvědomit, že (pře)stavba kosti probíhá po celý život. Někdy jsou tyto procesy nazývány jako modelace a remodelace kostí: • modelace kostní tkáně (růst) – proces, při kterém se zvyšuje nebo snižuje množství kostní tkáně s ohledem na konečný tvar kosti. Růst se radikálně snižuje v dospělosti jedince; • remodelace kostní tkáně (přestavba) – proces, při kterém se odstraňuje část starší kostní tkáně a nahrazuje se nově vytvořenou kostní tkání. Důsledky remodelace, které jsou dnes všeobecně označovány jako Wolffovy zákony, můžeme shrnout do tří bodů: 1. Optimalizace pevnosti kostí s ohledem na statické zatížení; 2. rovnoběžnost kostních trámců se směry hlavních napětí; 3. autoregulace kostní tkáně jako odezva na mechanické stimuly. Ve stáří a při některých chorobách převažuje odbourávání kosti nad tvorbou kosti nové, takže kosti řídnou. Tento proces se nazývá osteoporosa a nejvíce postihuje obratle, pánevní kosti a konce kostí stehenních, obr. 10.4. 221

2 dil kap 9_10.p65

221

23.7.2008, 13:46

Obr. 10.4: ÿez st¯ednÌ Ë·stÌ femuru pacientky ve t¯iceti letech (vlevo) a v†devades·ti letech (vpravo)

10.4 MechanickÈ vlastnosti kostnÌ tk·nÏ Při zkoumání mechanických vlastností kostní tkáně můžeme dostat různé výsledky s ohledem na typ provedeného experimentu, viz článek 10.2. Pro kostní tkáň můžeme tyto vlivy shrnout do následujících bodů: 1. K výrazně rozdílným výsledkům se dopracujeme při zkoumání čerstvě vyjmutých kostí, konzervovaných kostí fixační tekutinou a kostí sušených (preparovaných), popřípadě zmrazených. 2. Výsledky těchto měření závisí na orientaci vzorku, rychlosti zatěžování a také na velikosti vzorku. 3. Kosti v lidském těle jsou předepjaté a zdaleka nevydrží takové zatížení, jako v laboratorních podmínkách. Jsou zatíženy silami způsobenými pracujícím svalstvem. NapÏtÌ S L

Obr. 10.5: Z·vislost napÏtÌ na pomÏrnÈm prodlouûenÌ u zdravÈ a demineralizovanÈ kortik·lnÌ kosti (Ë·rkovan· demineralizovan·) [P¯evzato: Bruce M., Burr D., Sharkey N (1998)]

High calcification

A L A

100

deformace

0 0

01

222

2 dil kap 9_10.p65

222

23.7.2008, 13:46

4. Stárnutím se mechanické vlastnosti výrazně mění, kost se demineralizuje a snižuje se její hustota, obr. 10.5. Pokud se nezabýváme změnami v čase, můžeme předpokládat, že kost jako celek vykazuje ortotropní (rovnice 10.8), lineární mechanické vlastnosti. Přestavbou kostí se často mění anisotropie kosti na příčně isotropní a určité metabolické nemoci často způsobují kostní isotropii. Při matematických simulacích je nejčastěji používáno zjednodušení, kdy od sebe oddělujeme jednotlivé vrstvy kompakty a spongiosy, které uvažujeme lineárně isotropní s konstantním modulem pružnosti a konstantním Poissonovým číslem. C11 C12 C13 0 0 0 C12 C22 C23 0 0 0 C13 C23 C33 0 0 0 = 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C55 0 0 0 0 0 0 C66

22400 14800 15800 0 0 0 14800 25000 13600 0 0 0 15800 13600 35000 0 0 0 0 0 0 8200 0 0 0 0 0 0 7100 0 0 0 0 0 0 6100

Tab. 10.1: SchÈma elastick˝ch konstant pro ortotropnÌ model a konkrÈtnÌ hodnoty pro kortik·lnÌ Ë·st stehennÌ kosti

C11 C12 C13 0 0 0 C12 C22 C23 0 0 0 C13 C23 C33 0 0 0 = 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 C55 0 0 0 0 0 0 C66

21200 11700 12700 0 0 0 11700 21000 11100 0 0 0 12700 11000 29000 0 0 0 0 0 0 6300 0 0 0 0 0 0 6300 0 0 0 0 0 0 5300

Tab. 10.2: SchÈma elastick˝ch konstant pro ortotropnÌ model a konkrÈtnÌ hodnoty pro tr·mËitou Ë·st stehennÌ kosti

10.5 MechanickÈ vlastnosti chrupavky Chrupavka je pevná pojivová tkáň. Skládá se z buněk a z průsvitné, tuhé mezibuněčné hmoty, která obsahuje též složku fibriální. Z anatomického pohledu rozlišujeme čtyři základní druhy chrupavek: buněčná, sklovitá, elastická a vazivová. Při rozboru mechanických vlastností je potřeba zdůraznit dvě základní znalosti o chrupavkách: 223

2 dil kap 9_10.p65

223

23.7.2008, 13:46

1. Chrupavky jsou ze 70 % tvořeny vodou. Mechanické vlastnosti chrupavek jsou velmi závislé na své pórovité struktuře, podobně jako kostní tkáň. Rozdíl je ovšem ve velikosti pórů. U kostní tkáně se rozměr póru (v řezu) mění od 50 do 300 µm, u chrupavek kolem 50 A° . Díky velkému zastoupení vody ve chrupavkách jsou chrupavky vysoce viskoelastické. 2. Chrupavky neslouží jako tlumiče kosterního systému. V laické společnosti je všeobecně zakořeněno, že chrupavky slouží jako tlumiče-absorbéry například při doskocích. Není tomu tak. Toto je především způsobeno jejich geometrií. Chrupavky jsou většinou velmi úzké a tudíž nemohou pohltit tak veliké množství energie na rozdíl od svalstva a kostry. Chrupavky v lidském těle tvoří hlavně funkci kluzných ložisek, v přeneseném slova smyslu. Při zatěžování chrupavky na tah získáme typickou křivku pro zatěžování měkkých tkání.

SÌla

F·ze I

F·ze II

F·ze III

deformace

Obr. 10.6: Pr˘bÏh zatÏûov·nÌ chrupavky na tah (mÏkk˝ch tk·nÌ) Při zatěžování vzorku chrupavky tahem můžeme každou výslednou křivku rozdělit do tří regionů (fází): 1. Fáze 1: je charakterizována nárůstem deformace bez přírůstku síly (napětí). Tato fáze je všeobecně označována jako „Toe region“. Během zatěžování se vlákna kolagenu vyrovnávají se směrem zatěžování. Hlavní odpor kladou elastinová vlákna. 2. Fáze 2: většina kolagenních vláken je vyrovnána se směrem zatěžování. Nastává nárůst deformační křivky, viz obr. 10.6. 224

2 dil kap 9_10.p65

224

23.7.2008, 13:46

3. Fáze 3: Všechna vlákna kolagenu jsou již vyrovnána a přenášejí zatížení. Deformační křivka je téměř lineární.

10.6 Biologie lidskÈ k˘ûe Kůže (cutis) je největším plošným orgánem lidského těla. Plocha kůže je asi 1,5 až 1,8 m2 a její hmotnost je přibližně 4,5 kg. Kůže má řadu rozmanitých funkcí: • Ochrana těla: kůže obaluje a brání vnikání škodlivých látek do vnitřního prostředí organismu. Působí proti mechanickým vnějším vlivům, jako je například tlak, otěr, náraz. • Smyslové funkce kůže: V kůži je uloženo velké množství receptorů sloužících ke vnímání tepelných, mechanických a bolestivých stimulů. • Udržování tělesné teploty: Prokrvení kůže má značný vliv na tepelný výdej organismu. Kůže má značný vliv na tepelné ztráty organismu. • Vylučovací funkce kůže: Tuto funkci zajišťují mazové a potní žlázy v kůži. Jejich sekrety se uplatňují při ochraně proti mikroorganismům („dezinfekční“ prostředek). • Skladovací funkce kůže: V kůži jsou uskladněny vitamíny rozpustné v tucích. Účinkem slunečního záření vzniká v kůži i určité množství vitamínu D. Kůže je složena ze dvou vrstev: Pokožka (Epidermis), škára (Dermis), viz obr. 10.7. Pokoûka

äk·ra

PodkoûnÌ vazivo

Obr. 10.7: Struktura k˘ûe [P¯evzato: Wijn P. (1980)] 225

2 dil kap 9_10.p65

225

23.7.2008, 13:46

Pokožka Pokožka tvoří svrchní vrstvu kůže. Její tloušťka se mění od 0,07 do 0,4 mm. Skládá se z mnohovrstevného epitelu, v jehož povrchových vrstvách probíhá neustále rohovění. Nejhlubší vrstva pokožky se označuje jako vrstva zárodečná. Hraniční vrstva buněk pokožky naléhající na škáru se nazývá stratum basale. V této vrstvě vznikají dělením nové vrstvy pokožky, které postupně nahrazují vrstvy zrohovatělé. V hraniční vrstvě je obsažen pigment, jehož množství dodává kůži specifické zabarvení. Kožní barvivo (pigment) pohlcuje ultrafialovou složku slunečního záření, která by jinak poškozovala buňky. Svrchní vrstva pokožky, vrstva rohová, stratum corneum, je tvořena plochými zrohovatělými buňkami. Ty se v čase mění na šupinky, které se postupně z povrchu odstraňují. Mezi pokožkou a škárou je vytvořena basální membrána. Škára Ve škáře probíhají krevní, mízní cévy a nervy. Jsou zde uloženy vlasové kořeny, potní a mazové žlázy. Ve škáře jsou i velmi bohaté cévní sítě (předpokládá se, že je zde zadržen až jeden litr krve). Na některých místech těla vytvářejí výběžky škáry protáhlé valy, tedy kožní lišty. Charakter tvaru kožních lišt je pro každého člověka jedinečný a v průběhu života nepodléhá změnám, obr. 10.8. Této skutečnosti se využívá v kriminalistice při identifikaci osob.

Obr. 10.8: KoûnÌ kresba na ukazov·Ëku vÏk 26 let, mikroskop Zeiss, zvÏtöeno 50x 226

2 dil kap 9_10.p65

226

23.7.2008, 13:46

Jako ve většině biologických tkání, tak i v kůži (škáře) mají největší zastoupení vlákna kolagenu (77 %). Youngův modul je udáván kolem hodnoty 108 Pa. Kolagenovou síť můžeme pozorovat elektronovým mikroskopem. Průměr vláken kolagenu je udáván přibližně od 10 do 15 nm. Uspořádání kolagenních vláken v síti má určitou hierarchii. Většinou jsou tato vlákna uspořádána rovnoběžně s povrchem. V průběhu času dochází ke stárnutí kolagenu, a tím ke změně jeho vlastností. S přibývajícím věkem se stává méně pružný. Další významnou složkou škáry je elastin. I jeho vlákna můžeme najít v různých biologických tkáních. Jeho mechanické chování je velmi podobné chování elastomerů. Má nízký Youngův modul (5 x 106 Pa). Má schopnost vrátit se do svého původního stavu i po deformacích větších než 100 % bez plastické deformace. Elastin má vynikající hydrotermální stabilitu. Zatímco kolagen můžeme rozpustit ve vroucí vodě, elastin ne. Stárnutí elastinu se projevuje jeho tvrdnutím. Poslední složkou, která se podílí na složení škáry, je retikulin. Retikulární vlákna jsou velmi úzce spojena s kolagenními vlákny a je velmi složité je oddělit. Jejich průměr je okolo 4 nm. Jejich mechanické vlastnosti jsou neznámé, ovšem jejich zastoupení ve škáře je velmi malé. Pokus, který je na obr. 10.9, měl demonstrovat, jak velký vliv má stárnutí na mechanické vlastnosti kůže. U osoby A (obr. 10.9 a,b) se kůže po počáteční

a)

c)

b)

d)

Obr. 10.9: Vliv st·rnutÌ na pruûnost k˘ûe a,b) osoba A (23 let) c,d) osoba B (58 let), Ëas mezi jednotliv˝mi fotografiemi (a-b, c-d) je 20 sekund 227

2 dil kap 9_10.p65

227

23.7.2008, 13:46

deformaci sama vrátí do svého původního stavu, kdežto u osoby B (obr. 10.9 c,d) se kůže po počáteční deformaci, v daném časovém rozpětí (0 až 20 sekund) nevrátí do svého původního stavu. Vliv na mechanické vlastnosti má celá řada dalších faktorů jako jsou: věk, nemoci, výživa, ozáření. Před více než sto padesáti lety si francouzský chirurg Depuytren všiml jedné pozoruhodné skutečnosti. U osob, které spáchaly sebevraždu hrotem o kruhovém průřezu, nebyly otvory v kůži kruhové, nýbrž oválné (elipsy). O třicet let později na Depuytrena navázal Langer, který systematicky zmapoval celý povrch kůže a zjistil, že v kůži existují spojité linie (později nazvány Langerovými liniemi (obr. 10.10). Výsledky jeho práce nebyly dlouho překonány. Byly znovu publikovány v roce 1978 v British Journal of Plastic Surgery bez jakékoli změny od původního vydání!

Obr. 10.10: Langerovy linie [P¯evzato: Wijn P. (1980)] Existence Langerových linií není zcela dodnes objasněna. Autoři se v této problematice rozdělili na dvě skupiny. Jedni považují Langerovy linie za směry preferencí kožních vláken. Druhá skupina považuje Langerovy linie za směry maximálních tahových napětí. Langerovy linie nám podávají určitou informaci o anisotropii kůže. Pravděpodobně existuje rozdíl mezi směry vnitřního napětí kůže a materiálovou anisotropií. I přes rozdílné názory na vysvětlení Langerových linií se jich běžně používá v chirurgii, kde se linie nazývají liniemi štěpitelnosti kůže. Chirurgové vedou své řezy přednostně podél těchto směrů. 228

2 dil kap 9_10.p65

228

23.7.2008, 13:46

10.7 MechanickÈ vlastnosti lidskÈ k˘ûe Kůže je považována za materiál viskoelastický, nelineární a nestlačitelný. Celkové chování kůže závisí na parametrech jako jsou: věk, skladba stravy, nemoci, přísun tekutin, atd. I přesto, že nás zajímá chování kůže jako celku, musíme znát vliv jednotlivých složek na celkové chování. Chování jednotlivých složek se od sebe výrazně liší. • Kolagen dává kůži mechanickou pevnost. Jeho základní funkcí je, že zabraňuje poškození tkáně při velkých deformacích. • Základní funkcí elastinu je vrátit kůži na původní tvar, který měla na počátku deformace. Při zatěžování lidské kůže tahem vždy každou výslednou křivku můžeme rozdělit do tří regionů (fází), obr. 10.6. Naměřené moduly pružnosti v tahu pro jednotlivé metody jsou na obr. 10.2.

10.8 DoporuËen· literatura Čihák R (2001) Anatomie I., Grada, Praha Valenta J (1994) Biomechanika, Academia, Praha Fung Y. C (1993) Biomechanics, Springer, New York Bruce M., Burr D., Sharkey N (1998) Skeletal tissue mechanics, Springer, New York Wijn P. (1980) The alinear viscoelasic properties of human skin in vivo for small deformations, PhD thesis, Eindhoven

229

2 dil kap 9_10.p65

229

23.7.2008, 13:46

11. Samoorganizace a povaha ûivota David Luk·ö Inspirujícími díly pro sestavení obsahu této kapitoly byly tři knihy: „Tkáň života“ napsaná kvantovým fyzikem Fritjofem Caprou (Capra, 2004) a „Řád z chaosu“, která má dvojici autorů – Ilyu Prigogina a Isabelle Stangersovou (Prigogine, Stangersová, 2001). Ilya Prigogine je nositelem Nobelovy ceny z roku 1977 za práce o termodynamice nerovnovážných dějů. Další motivací pro sestavení této kapitoly bylo dílo zveřejněné před více než půl stoletím, kdy se rakouský fyzik Schrodinger, zakladatel kvantové fyziky, zabýval podstatou života. Své úvahy shrnul v tenké knize vydané prvně roku 1944 a nazvané „Co je život?“ (Schrodinger, 1992). V této knize je uvedena hypotéza o molekulární povaze genů. Nehledě na značné pokroky v oblasti genetiky a molekulární biologie učiněné v poslední době, nejsme stále schopni uspokojivě odpovědět na otázku, kterou vyslovil Schrodinger v názvu své knihy. Nedovedeme vysvětlit ani řadu jednotlivých průvodních znaků života: Jak se složitě a důmyslně organizované živé organismy vyvinuly z neuspořádaných molekulárních systémů? Jak poraněný organismus obnovuje (regeneruje) přesně tutéž strukturu, jakou měl před poraněním? Jak se vytvoří nový organismus ze zárodečného vajíčka? Čím se řídí tvary našich vnitřních orgánů? Jaký je význam vzájemné „komunikace“ mezi elementy živých struktur pro jejich vývoj a funkci, např. jak komunikují základní prvky imunologického systému? Tato kapitola si ani v nejmenším neklade nárok na zodpovězení byť i jediné z nastíněných otázek, ale je snahou představit čtenáři některé projevy života, které jsou významně odlišné od vlastností umělých organizovaných struktur, jakými jsou kupříkladu stroje konstruované člověkem. Věříme, že takovéto úvahy jsou důležité a užitečné pro ty, kteří se chtějí hlouběji zabývat vzájemným působením živých a neživých struktur, ke kterým dochází například při interakci tkáňových nosičů (scaffold), neboli umělých podpůrných struktur, a živých tkání v tkáňovém inženýrství.

11.1 Entropie a termodynamickÈ systÈmy V následujících dvou odstavcích textu uvedeme nástroje, pomocí kterých se pokusíme výjimečné vlastnosti života popsat s využitím nástrojů současných exaktních věd. Jsou jimi entropie a fyzikální disciplína, zvaná statistická fyzika. 230

2 dil kap 11.p65

230

23.7.2008, 13:47

V roce 1865 zavedl Rudolf Julius Emanuel Clausius, který je považován za zakladatele termodynamiky, nový pojem, entropii (entropy). Entropie jako termodynamická veličina byla Clausiem zavedena coby nástroj pro popis nevratných termodynamických dějů. V klasické termodynamice byla entropie dlouhou dobu považována za fiktivní fyzikální veličinu s nejasnou interpretací. Její chápání se změnilo až se zrodem statistické fyziky v pracích Boltzmanna a Gibbse. Entropie představuje míru neuspořádanosti systému. Jak uvedeme dále, entropie je pomocí jednoduchých formulí spojena s počtem přípustných konfigurací systému a s pravděpodobnostmi, s jakými se tyto konfigurace objevují při časovém vývoji systému.

Rudolf Julius Emanuel Clausius

Ilya Prigogine

Statistická fyzika (statistical physics) je jednou ze základních oblastí teoretické fyziky, která se zabývá zkoumáním vlastností makroskopických systémů, přičemž bere v úvahu mikroskopickou strukturu těchto systémů. Statistická fyzika tak uvádí do vztahu dvě úrovně popisu fyzikální reality – úroveň makroskopickou a úroveň mikroskopickou. Statistická fyzika je mimořádně obecnou disciplínou. Její použití není omezeno jenom na oblast fyzikálních soustav složených z mnoha částic. Základní principy statistické fyziky byly úspěšně použity i při studiu ekologických a sociálních systémů, v evoluční teorii, genomice (genomics), atp. Principy statistické fyziky se dají odvodit z vlastností jednoduchých modelů interagujících částic. Grafické znázornění takového systému s interakcemi nalezne čtenář na obr. 11.1. Částice se v něm mohou vyskytovat jen v jednotlivých uzlech (buňkách) pravidelné prostorové mříže. Každý uzel i může být obsazen jen jedinou částicí, jejíž typ se označuje pomocí proměnné xi. In231

2 dil kap 11.p65

231

23.7.2008, 13:47

terakcí zde rozumíme působení mezi částicemi systému navzájem a mezi jednotlivými částicemi a vnějšími poli. Interakce mezi částicemi fyzikálních systémů jsou zpravidla velmi krátkého dosahu, a tak se můžeme s dobrým přiblížením soustředit jen na vzájemné působení mezi nejblíže sousedícími částicemi. Částice mohou v časových krocích své pozice náhodně měnit. Konfigurace systému je určena pozicemi částic v jednotlivých uzlech označených indexem i. Pro symbolické vyjádření konkrétních konfigurací se používá konfigurační vektor x– . Živé organismy mají velice důmyslné uspořádání (strukturu). Navíc se organizují samy, pokud k tomu mají vhodné vnější podmínky. Vznik života a růst organismu jsou tudíž spojeny s podivuhodným nárůstem jejich uspořádanosti. V dalším textu ukážeme, že velmi vhodnou mírou a nástrojem pro popis uspořádanosti systémů je entropie. Statistická fyzika nám poskytuje návod, jak entropii (uspořádanost) kvantitativně definovat, i pravidla, která musí systém splnit pro to, aby se sám uspořádával. Předešleme že entropie jako míra uspořádanosti je definována teprve tehdy, když je zadán soubor veličin, které se na daném systému zachovávají, a současně je smluveno, jakou mikroskopickou úroveň popisu máme na mysli. Entropie tedy není veličina, která by měla nějakou hodnotu nezávisle na podrobné znalosti systému. Termodynamika a statistická fyzika se tradičně zabývaly rovnovážnými mnohočásticovými systémy (makroskopickými objemy plynů). U rovnovážných systémů se střední hodnoty jejich fyzikálních veličin s časem nemění (až na malé fluktuace). Také zde začneme míru uspořádanosti studovat nejprve na systémech v rovnováze. Rozpoznáváme tři typy rovnovážných termodynamických systémů, u kterých budeme definovat jejich entropii. >

11.1.1 Mikrokanonick˝ systÈm Mikrokanonický systém (microcanonical assembly) je nejjednodušším termodynamickým systémem. Sestává z jediného podsystému, který je od okolního světa dokonale izolován, viz obr. 11.1. To znamená, že si s ním nevyměňuje ani energii, ani částice. Z tohoto důvodu jsou všechny jeho povolené konfigurace x– stejně pravděpodobné a mají tedy všechny stejnou hodnotu pravděpodobnosti výskytu P(x– )=1/g. Statistická entropie S mikrokanonického systému je definována jako logaritmus počtu g jeho stejně pravděpodobných konfigurací x– . >

>

>

(11.3) Z důvodů podobnosti s dalšími níže uvedenými vzorci pro výpočet entropie jsme zde počet přípustných konfigurací g vyjádřili jako součet hodnot jedna 232

2 dil kap 11.p65

232

23.7.2008, 13:47

přes (H,N), což je množina všech konfigurací mikrokanonického systému zachovávající jak celkovou energii H, tak počet částic N. Počet přípustných konfigurací g, a tudíž i entropie S, souvisí následujícím způsobem s uspořádaností systémů. Velký počet přípustných konfigurací, a tedy vysoká hodnota entropie, přísluší neuspořádanému systému, zatímco nízký počet přípustných konfigurací a nízká hodnota entropie znamenají, že je systém uspořádán více. Mikrokanonický systém je výhodný pro jednoduchou definici jeho entropie. Je však příliš jednoduchou soustavou na to, abychom na něm demonstrovali schopnost systémů samy sebe uspořádávat. Konstantnost jeho celkové energie H znamená, že je neměnný i počet jeho přípustných konfigurací g. Také entropie S mikrokanonického systému je stále stejná.

Obr. 11.1: M¯Ìûov˝ model mikrokanonickÈho systÈmu sest·v· z†m¯Ìûe bunÏk (uzl˘), kterÈ jsou buÔ obsazenÈ Ë·sticÌ (tmav˝ kruh) nebo jsou pr·zdnÈ. JednotlivÈ uzly jsou oznaËeny indexy. Mikrokanonick˝ systÈm je od svÈho okolÌ dokonale izolov·n. Izolace je zde zn·zornÏna pomocÌ silnÈ öedÈ vrstvy. Interakce mezi nejblÌûe sousedÌcÌmi Ë·sticemi jsou zn·zornÏny kr·tk˝mi ˙seËkami.

Budeme-li vyšetřovat různé mikrokanonické systémy, zjistíme, že hodnoty jejich entropií budou záviset na celkové energii, počtu částic a objemu, viz podrobnosti v komentáři k obr. 11.2.

11.1.2 Kanonick˝ systÈm Kanonický systém (kanonical system) se skládá ze dvou částí. Jednu z nich budeme nazývat podsystém a druhou, která bývá značně větší, nazveme rezervoár (rezervoir). Systém a rezervoár jsou odděleny přepážkou, která dovoluje přenos energie, ale je nepropustná pro částice. Jejich počet se tudíž v obou částech systému nemění. Kanonický systém je jako celek od svého okolí dokonale izolován. Dále se budeme zajímat jenom o podsystém. 233

2 dil kap 11.p65

233

23.7.2008, 13:47

Obr. 11.2: Kanonick˝ systÈm (a) sest·v· z†podsystÈmu P a rezervo·ru R, jeû jsou oddÏleny p¯ep·ûkou. P¯ep·ûka dovoluje v˝mÏnu energie, ale zakazuje p¯enos Ë·stic. P¯edpokl·dejme pro jednoduchost, ûe Ë·stice interagujÌ pouze s†externÌm polem tak, ûe na nultÈ ˙rovni majÌ energii nula a na prvnÌ energii jedna, viz ËÌslice nalevo. Od okolnÌho svÏta je systÈm jako celek dokonale izolov·n. Vöechny konfigurace podsystÈmu o poËtu uzl˘ 4 a poËtu Ë·stic 2 a o celkovÈ energii H=1 jsou zobrazeny v†Ë·sti (b). Entropie podsystÈm˘ z·visÌ na poËtu Ë·stic v†podsystÈmu (c), na objemu podsystÈmu (d) i na energii podsystÈmu (e). »·sti obr·zku (b) aû (e) ukazujÌ r˘znÈ mikrokanonickÈ systÈmy, protoûe jsou v nich hodnoty celkovÈ energie konstantnÌ.

Na rozdíl od mikrokanonického systému budou hodnoty pravděpodobností P(x– ) výskytu konfigurací x– kanonického systému rozdílné, protože se může měnit celková energie subsystému v důsledku její výměny s rezervoárem. Pravděpodobnosti P(x– ) jsou dány Boltzmannovým zákonem >

>

>

(11.1) kde statistická suma (partition function) z souvisí s normováním pravděpodob234

2 dil kap 11.p65

234

23.7.2008, 13:47

ností,

. Symbolem

je označena množina všech přípustných kon-

figurací. V Boltzmannově zákoně je statistická teplota uvedena jako . Boltzmannovo rozdělení pravděpodobností zkomplikuje definici entropie S, která bude uvedena vztahem (11.3). Určení entropie kanonického systému je obdobné odvození střední hodnoty celkové energie podsystému , která je dána součtem součinů všech přípustných hodnot hamiltoniánů a jim příslušejících pravděpodobností výskytu příslušných konfigurací. Tyto konfigurace mají stejnou hodnotu celkového počtu částic N, ale mohou se lišit hodnotou celkové energie H. .

(11.2)

Podobně definiční vztah pro statistickou entropii S kanonického systému zní ,

(11.3)

(N) představuje množinu všech přípustných konfigurací podsystému kde kanonického systému. Entropie S(x– ,H) ve vztahu (11.3) je přiřazena skupině konfigurací o stejné hodnotě celkové energie H. Tuto entropii můžeme vyjádřit stejně jako u mikrokanonického systému jako S(x– ,H) = ln g(H). Pokud jsou podsystém i rezervoár velké, pak jsou odchylky (fluktuace od středních hodnot) malé a podsystém se téměř s jistotou bude vyskytovat ve stavu, jehož konfigurace budou mít touž hodnotu energie H = . Pravděpodobnost výskytu – takových konfigurací označme P(x,H). Za takového předpokladu můžeme entropii S(x– ,H) odhadnout s pomocí vzorce S(x– ,H) = ln g(H), kde využijeme od– hadu P(x– ,H) ~ = 1/g(H). Dosazením do předchozího získáme ln g(H) ~ = -ln P(x,H) a odtud plyne >

>

>

>

>

>

>

(11.4) Takto zavedená entropie se nazývá Boltzmannova (nebo Gibbsova). U kanonického systému, na rozdíl od mikrokanonického, můžeme měnit stupeň jeho uspořádání tím, že budeme připojovat k podsystému rezervoáry o různé teplotě. Čím nižší bude teplota, tím větší pravděpodobnost budou mít konfigurace o nízkých hodnotách celkové energie. To snadno nahlédneme z poměru pravděpodobností dvou konfigurací x– a y– , přičemž první z nich bude mít nižší a druhá vyšší hodnotu energie, Hx < Hy . >

>

235

2 dil kap 11.p65

235

23.7.2008, 13:47

Z Boltzmannova zákona (11.1) získáme (11.5) Odtud je zřejmé, že snižující se termodynamická teplota při stejné hodnotě rozdílu hamiltoniánů dvou konfigurací povede k zvyšování pravděpodobnosti výskytu té konfigurace, která má menší obsah celkové energie v porovnání s pravděpodobností konfigurace energeticky náročnější. Entropie podsystému se bude se snižující teplotou zmenšovat. V limitě nulové teploty bude přípustná jen jedna konfigurace s minimální hodnotou energie. Pravděpodobnost výskytu této konfigurace bude jedna, zatímco všechny ostatní se budou vyskytovat s pravděpodobností nula. Boltzmannova entropie pak bude mít minimální hodnotu S = –1 ln 1 = 0. Kanonický soubor se může, jak jsme viděli, uspořádávat snižováním teploty. Takového nárůstu uspořádání jsou schopny všechny neživé rovnovážné systémy. V naší snaze nalézt princip uspořádávání živých systémů jsme tedy o mnoho nepostoupili.

11.1.3 Grandkanonick˝ systÈm Živé organismy jsou systémy, které se svým okolím vyměňují nejenom energii, ale i částice. Tomu ve statistické fyzice odpovídají tak zvané grandkanonické systémy. Příklad mřížového grandkanonického systému je znázorněn na obr. 11.3.

Obr. 11.3: Grandkanonick˝ systÈm je sloûen z†podsystÈmu a rezervo·ru, mezi kter˝mi m˘ûe doch·zet jak k†v˝mÏn·m Ë·stic dN, tak k†v˝mÏn·m energie dH. Pravděpodobnost výskytu konfigurace grandkanonického systému je dána Gibbsovým vztahem 236

2 dil kap 11.p65

236

23.7.2008, 13:47

(11.6) kde µ značí chemický potenciál. Entropie grandkanonického systému se vypočte podle obdobného vzorce jako entropie kanonického souboru. (11.7) Sumace se v tomto případě provádí přes všechny přípustné konfigurace x– podsystému, které se mohou lišit jak celkovou energií H, tak počtem částic N. Tím jsme završili definice uspořádanosti v klasických rovnovážných termodynamických systémech. Uvidíme, že se pomocí nich dostaneme do zdánlivého protikladu k existenci samouspořádávajících se objektů, které kolem sebe pozorujeme v každodenním životě. >

11.2 PlatÌ druh· vÏta termodynamiky pro ûivÈ organismy? Výše uvedené poznatky o entropii nám umožní formulovat druhou větu termodynamiky na základě představy o grandkanonickém systému. Představme si podsystém a rezervoár, které jsou zpočátku drženy odděleně, jako dva mikrokanonické systémy dokonale izolované od okolního světa. V každém z nich se nutně zachovávají počty částic i celkové energie. Tyto požadavky zachování představují čtyři podmínky: v podsystému je obsažena energie H1 a počet částic N1, zatímco celková energie rezervoáru má hodnotu H2 a rezervoár disponuje konstantním počtem částic N2. Na systém složený z dvou oddělených částí jsou tudíž naloženy následující čtyři podmínky: H1 = konstanta1, N1 = konstanta2, H2 = konstanta3, N2 = konstanta4 . Celkový počet konfigurací g systému skládajícího se dvou nezávislých mikrokanonických systémů je dán součinem počtu nezávislých konfigurací podsystému g1 a rezervoáru g2. Je to dáno tím, že ke každé zvolené konfiguraci podsystému může rezervoár uskutečnit nezávisle jakoukoliv ze svých g2 přípustných konfigurací. Sjednocení dvou mikrokanonických systémů je opět mikrokanonický systém. Proto entropii So oddělených mikrokanonických systémů budeme zjišťovat podle vzorce (11.3) 237

2 dil kap 11.p65

237

23.7.2008, 13:47

.

(11.8)

V tomto vzorci x– představuje konfiguraci sjednoceného systému, která je dána výběrem dvou podkonfigurací z množiny všech přípustných konfigurací izolovaného podsystému 1 (H1, N1) a izolovaného rezervoáru 2 (H2, N2). >

Změňme nyní podmínky kladené na naše dva oddělené mikrokanonické soubory tím, že rezervoár a podsystém převedeme do tepelného i difúzního kontaktu. To znamená, že mezi sebou mohou vyměňovat energii i částice, jako je tomu u grandkanonického systému. Sjednocením jsme vytvořili vlastně jeden větší mikrokanonický soubor, protože zůstal od okolí dokonale izolován. Čtyři původní podmínky se zredukovaly na dvě. H1 + H2 = H,

N1 + N 2 = N .

Omezení počtu podmínek vede zpravidla k nárůstu počtu stupňů volnosti fyzikálních systémů. Zde se tento obecný poznatek projeví zvětšením počtu možných konfigurací nového mikrokanonického systému sestaveného z původně oddělených dvou mikrokanonických systémů. Pro počet konfigurací (H, N) po sjednocení zřejmě platí.

Z právě uvedeného vztahu je zřejmé, že v množině všech přípustných konfigurací sjednoceného systému (H, N) je obsažena jako podmnožina i množina přípustných konfigurací 1 (H1, N1) x 2 (H2, N2) původních dvou oddělených mi(H, N). Pro entropii krokanonických systémů, tedy 1 (H1, N1) x 2 (H2, N2) spojeného systému platí .

(11.9)

Z porovnání (11.8) a (11.9) získáme nerovnost, která platí pro entropii oddělených a spojených mikrokanonických systémů. S0 <– SS .

(11.10)

Tato nerovnice je základem pro formulaci druhé věty termodynamiky, která zní: Sjednocováním původně izolovaných systémů dochází k nárůstu entropie. 238

2 dil kap 11.p65

238

23.7.2008, 13:47

Narůst entropie v důsledku sjednocování bude tím výraznější, čím odlišnější byly původní teploty a chemické potenciály podsystému a rezervoáru. S druhou termodynamickou větou je také spojen termín „šipka času“, který vyjadřuje tu skutečnost, že se mnohočásticové systémy spějící do stavu rovnováhy s časem vyvíjejí od uspořádanějších stavů směrem ke stavům neuspořádaným. Sjednocování mikrokanonických souborů je totiž jev nevratný. Jeden mikrokanonický soubor již nelze „nikdy“ rozdělit na dva oddělené soubory o významně odlišných hodnotách teploty nebo chemického potenciálu. Je to dáno tím, že u systému s velkým počtem částic se významně veliké fluktuace vyskytují s téměř nulovou pravděpodobností. Druhá věta termodynamiky zdánlivě vylučuje možnost samoorganizace systémů. Proto základní úvahy o povaze života vycházejí z diskuse tohoto pozoruhodného výsledku termodynamiky a statistické fyziky, kterým je druhá termodynamická věta. Podle druhého termodynamického zákona směřují fyzikální jevy spojené s mnohočásticovými systémy od řádu (uspořádanosti) k neuspořádanosti, tedy k rovnovážným stavům se stále vyšší entropií. Jakmile mnohočásticový systém dosáhne rovnováhy, je krajně nepravděpodobné, že se z ní opět vymaní. Náhodný pohyb molekul vede ve velkých systémech pouze k malým (termodynamickým) fluktuacím od stavu rovnovážného, a ty navíc existují jen pro velmi krátkou dobu. Na druhé straně tento zákon stojí proti naší vlastní každodenní zkušenosti, ve které se setkáváme s uspořádanými neživými systémy i s živými, vysoce organizovanými bytostmi. Není pochyb o tom, že se tyto jevy odehrávají uvnitř dokonale izolovaného systému, kterým je vesmír jako celek. S trochou nadsázky můžeme učinit následující úvahu (Martinová, 2008): Vycházíme-li z definice entropie, kde stojí „sjednocováním původně izolovaných systémů dochází k nárůstu entropie“, maně se nám vybaví výčet projevů života, mezi něž patří vedle dědičnosti, evoluce, růstu a také reprodukce. U řady organismů (zvláště pak u vyšších organismů) dochází k reprodukci po předchozí kopulaci, která se podobá sjednocování podsystémů. V rámci jednoho druhu tento akt k sobě často přitahuje jedince co nejodlišnější (například psychicky) podle hesla „protiklady se přitahují“. Výsledkem tohoto přitahování je pak spíše evoluční pokrok, než významný pokles uspořádanosti, jako je tomu u popsaných termodynamických systémů s výrazně odlišnými (protikladnými) teplotami a chemickými potenciály. Rozpor mezi zněním druhé termodynamické věty a chováním složitých podsystémů řešil ve svých pracích o disipativních strukturách Prigogine tím, že postavil vztah mezi entropií a neuspořádaností do nového světla. Abychom mohli dále sledovat jeho úvahy, musíme opustit svět rovnovážné termodynamiky a stu239

2 dil kap 11.p65

239

23.7.2008, 13:47

dovat nerovnovážné jevy, při kterých komplikovanými podsystémy protéká energie a je jimi disipována.

11.2.1 DisipativnÌ struktury Prigoginova teorie disipativních struktur platí pro termodynamické jevy vzdálené od rovnováhy, kde se molekuly nepohybují náhodně, ale jsou propojeny mnohonásobnými zpětnovazebními smyčkami, popsanými nelineárními rovnicemi. Disipativní struktury se udržují daleko od rovnováhy a mohou se od ní dále vzdalovat prostřednictvím řady bifurkací. V bifurkačních bodech se mohou spontánně vynořovat stavy vyšší uspořádanosti. Vzdálenost těchto jevů od termodynamické rovnováhy vylučuje okamžité uplatnění našich poznatků o entropii rovnovážných termodynamických soustav. Právě popsaná samoorganizace podsystému není v rozporu s druhým zákonem termodynamiky, protože předpokládáme, že uspořádáváním prochází pouze část systému (podsystém), zatímco celková entropie systému s časem vzrůstá. V systémech s přítomností života se vždy uspořádanost a neuspořádanost vytvářejí souběžně. Samoorganizované disipativní struktury udržují nebo dokonce zvyšují svoji uspořádanost na úkor vyšší neuspořádanosti svého okolí. Příkladem je chování živých organismů, které přijímají ze svého okolí potravu v podobě relativně vysoce uspořádaných struktur. Potrava je využívána metabolismem organismu a je z něj poté vypuzována v podobě struktur o nižší uspořádanosti jako odpad. Toto nové pojetí uspořádanosti v „moři“ neuspořádanosti představuje zásadní změnu tradičního chápání těchto pojmů. Jak jsme viděli, podle klasické-

Obr. 11.4: Dokonale vyvinutÈ krystaly k¯iöù·lu (www.xray.cz/kurs/krystaly.htm) a ekvidistantnÏ vzd·lenÈ kapky

vzniklÈ v†d˘sledku Rayleighovy nestability (s laskav˝m svolenÌm M. Pociute, Kaunas University of Technology) 240

2 dil kap 11.p65

240

23.7.2008, 13:47

ho chápání je uspořádanost a nízká hodnota entropie spojena s rovnováhou. Jako příklad rovnovážných uspořádaných systémů mohou sloužit krystaly nebo Rayleighova nestabilita kapalinových filmů pokrývajících vlákna, viz obr. 11.4. Neuspořádanost (chaos) je často nesprávně chápána jako typický znak nerovnovážných jevů, kterým je například turbulence v rychle se pohybujících tekutinách. Turbulentní víření tekutin, je však ve skutečnosti vysoce uspořádané a obsahuje složité struktury vírů, které jsou složeny z vírů menších. Pro kvantitativní hodnocení tohoto druhu neuspořádanosti postrádáme patrně vhodnou definici „nové entropie“, která by nabývala extrému pro konfigurace podsystému uspořádané ve výše popsaném smyslu. Prigogine ukázal, že se vysoce uspořádané disipativní struktury mohou objevit také u chemických reakcí, které probíhají v termodynamickém slova smyslu „nedaleko rovnováhy“. Příkladem takových reakcí jsou Bělousovovy-Žabotinského reakce, známé také jako chemické hodiny, jejichž projevy jsou zachyceny na obr. 11.5. Zmíněné chemické reakce vyžadují přítomnost katalytických smyček přivádějících systém do stavu nestability opakovanými zesilujícími zpětnovazebnými smyčkami. V tomto typu reakcí se kombinuje chemická reakce spolu s difúzí. Disipativní (samouspořádané) struktury mohou procházet dramatickým vývojem přes takzvané body nestability, neboli bifurkační body, v nichž probíhají dramatické a nepředvídatelné události. O bifurkacích pojednáme podrobněji a

b

Obr. 11.5: (a) Obraz turbulence ve vodÏ (www.osel.cz/index.php?obsah=6&akce= showall&clanek=3004&id_c=90979)

(b) chemick· aktivita v†BÏlousovovÏ-éabotinskÈho reakci (www.quantumconsciousness.org) 241

2 dil kap 11.p65

241

23.7.2008, 13:47

v článku 11.3. Zatím si představme, že bifurkační bod je prahem stability. V tomto bodě může disipativní struktura zaniknout nebo se přeměnit do nového stavu uspořádanosti, přičemž takových nových a kvalitativně odlišných stavů může být více. Vývojové chování systému v bifurkačním bodě záleží na jeho historii, tj. na cestě, kterou k bifurkačnímu bodu dospěl. Disipativní struktury vykazují v bifurkačních bodech mimořádnou citlivost na fluktuace v jejich okolí. Tím je ohrožen, nebo i vyloučen deterministický popis disipativních struktur při průchodu bifurkačním bodem, kdy nemůžeme s jistotou předpovědět, jakou cestou se po průchodu bifurkací systém dále vydá. Chemické hodiny, ve kterých se bifurkace objevují, nejsou živé struktury, ale tentýž druh katalytických smyček (smyček katalytických reakcí) je základem metabolismu buňky, která je nejjednodušším známým živým systémem.

11.3 Modely samoorganizace V následujících dvou odstavcích (11.3.1 a 11.3.2) pojednáme o vybraných modelech samoorganizace. Jsou jimi Grebogiho evoluční funkce a model buněčných automatů.

11.3.1 Grebogiho evoluËnÌ funkce Jedním z nejjednodušších matematických modelů, na kterém můžeme existenci bifurkací a přechodů systému do nové kvality ukázat, je Grebogiho evoluční funkce. Tato funkce x(t) je závislostí funkční hodnoty x na diskrétně se měnící nezávislé proměnné t = 0, 1, 2, 3, ..., která představuje čas. Grebogiho funkce je dána rekurentním předpisem x(t+1) = k – x 2 (t)

(11.11)

kde k je libovolně zvolená reálná konstanta, například z intervalu od nuly do dvou. Funkční hodnota x(t) představuje stav systému v čase t a funkční hodnota x(t+1) přísluší stavu systému v okamžiku bezprostředně následujícím. Ze vztahu (11.11) je zřejmé, že okamžitá hodnota funkce x(t+1) závisí jen na stavu bezprostředně předcházejícím, tj. na stavu x(t).

242

2 dil kap 11.p65

242

23.7.2008, 13:47

Obr. 11.6: Chov·nÌ Grebogiho evoluËnÌ funkce pro r˘znÈ hodnoty parametru k (0,5; 1 a 1,9) 243

2 dil kap 11.p65

243

23.7.2008, 13:47

Nyní budeme studovat chování Grebogiho evoluční funkce v závislosti na velikosti parametru k. Po provedení dostatečně velkého počtu kroků bude Grebogiho evoluční funkce v závislosti na hodnotě k konvergovat k jediné hodnotě, viz obr. 11.6 první část, nebo bude oscilovat mezi více hodnotami, jako je tomu na obr. 11.6 ve dvou posledních částech, kde k=1 a k =1,9. Takové množiny X* konvergentních hodnot budeme nazývat atraktorem. Hodnoty atraktorů jsou z intervalu hodnot . Do diapro zvolený interval hodnot gramu na obr. 11.7 jsou vyneseny hodnoty atraktorů X* v závislosti na hodnotě kritického parametru k. Na diagramu vidíme, že až do hodnoty k ~ = 0.75 je atraktorem jediné číslo. Nad touto kritickou hodnotou parametru k, která určuje první bod rozdvojení (bifurkaci), je atraktor tvořen dvěma body. K dalším dvěma bifurkacím dojde pro hodnotu parametru k ~ = 1.25. Vývoj pro vyšší hodnoty parametru k je velmi složitý a označuje se jako chaos, ve kterém je atraktorem velké množství rozptýlených bodů. Na vloženém obrázku do obr. 11.7 je zvětšená oblast z okolí třetího řádu bifurkací, tj. z třetího po sobě jdoucího rozdvojení. Z tohoto detailu vidíme, že bifurkační diagram je „sobě podobný“. To znamená, že jeho malé části jsou kvalitativně identické s celkem, který má fraktální strukturu. Z vloženého obrázku je patrné, že po průchodu každým bifurkačním bodem se systém uspořádá, protože se jeho trajektorie v závislosti na parametru k rozdělí právě na dvě linie.

Obr. 11.7: BifurkaËnÌ diagram Grebogiho evoluËnÌ rovnice (complex.upf.es/~ josep/Chaos.html) 244

2 dil kap 11.p65

244

23.7.2008, 13:47

Ačkoli Grebogiho evoluční funkce nemá žádnou přímou interpretaci v chování živých systémů, ukazuje nám existenci bifurkačních bodů ve vývoji modelu, ve kterém postupně narůstá hodnota parametru k. Zcela volně ji můžeme připodobnit k vývoji buněk v buněčné populaci, které mohou procházet bifurkačními body při rozhodování o změně buněčného druhu. Grebogiho diagram je též jednoduchým příkladem jiného druhu uspořádanosti, než je snižování entropie rovnovážných termodynamických soustav, neboť evoluční funkce na obr. 11.7 je ukázkou uspořádanosti vývoje nerovnovážného systému s bifurkačními body, kterou nemůžeme postihnout pomocí definice Boltzmannovy entropie.

11.3.2 BunÏËnÈ automaty Dalším modelem samoorganizace, který zde uvedeme, jsou buněčné automaty (cellular automata), které byly vyvinuty matematiky ve čtyřicátých letech minulého století (McCulloch, Pitts). V polovině šedesátých let ukázal matematik von Neumann (Neumann, 1966) s pomocí buněčných automatů, že mohou existovat stroje, které mohou automaticky duplikovat samy sebe. Buněčný automat sestává z pravidelné sítě (mřížky) uzlů, které jsou propojeny vazbami (vzájemným působením). Proměnné přiřazené jednotlivým uzlům vyjadřují jejich stav. Stav může být interpretován, jako obsazení uzlu zvoleným objektem, například atomem, molekulou, buňkou, barvou atd. Svoji strukturou připomínají buněčné automaty jednoduché termodynamické modely, které jsme zmínili v článku 11.1. Buněčný automat se vyvíjí v čase tak, že v diskrétních časových krocích všechny uzly najednou změní svoji hodnotu v závislosti na původní hodnotě proměnné v daném uzlu a na základě stavů uzlů sousedních, viz obr. 11.8. Tyto matematické modely byly použity pro simulaci celé řady komplikovaných mnohočásticových problémů, jakými jsou: simulace toku tekutin, růst mikroorganismů a šíření nakažlivých chorob.

a

b

c

d

Obr. 11.8: R˘znÈ f·ze v˝voje simulace autopoietickÈ sÌtÏ podle Varely, Maturany a Uribeho 245

2 dil kap 11.p65

245

23.7.2008, 13:47

Počátkem sedmdesátých let minulého století použili Varela, Maturana a Uribe (Varela, 1974) buněčný automat pro simulaci tak zvaných autopoietických sítí. „Auto“ znamená „vlastní“ a „poiesis“ (shodný řecký kořen se slovem „poezie“) má význam slova „tvořit“. Tedy autopoiesis znamená sebeutváření nebo též tvoření sebe sama, což je jeden z hlavních znaků živých systémů. Na dvourozměrné mřížce buněčného automatu navrženého Varelou, Maturanou a Uribem se náhodně pohybuje katalyzátor a dva druhy sloučenin. Katalyzátor budeme značit hvězdičkou *. Jedna ze sloučenin ponese jméno substrát a bude značena znakem #. Sloučenina druhého druhu se bude nazývat článek a ponese dále označení @. Krom katalyzátoru, substrátů a článků může mřížka obsahovat i neobsazené uzly. V buněčném automatu probíhají tři druhy reakcí, které se mohou vyjádřit symbolicky jako produkce článku, vznik vazby mezi články a rozkladem článku: (i) Dvě substrátové sloučeniny mohou reagovat za přítomnosti katalyzátoru a vytvořit článek. Produkce článku ze substrátů: * + # + # * + @. (ii) Články se mohou vázat do řetězců připomínajících polymer. Vznik řetězce @-@. Řetězce článků se prostřednictvím vazby mezi články: @ + @ mohou spojovat do cyklické podoby. (iii) Kterýkoliv článek, ať volný nebo vázaný v řetězci, se může náhodně rozložit na dvě substrátové sloučeniny. Rozklad článku na dvě substrátové sloučeniny: @ # + #. Pravidla pro náhodný pohyb jednotlivých částic na mřížce, tj. pravidla pro změnu hodnot buněk Varelova buněčného automatu, jsou dosti složitá. Vypadají například následovně: • Substrát se může přemísťovat pouze na neobsazené uzly v mřížce. • Katalyzátor a články si mohou vyměňovat pozice se substráty. • Substrátové sloučeniny mohou procházet řetězcem a obsazovat prázdná místa na druhé straně řetězce. Tyto „přeskoky“ řetězce článků simulují chování polopropustné buněčné membrány. • Vzájemně propojené články se nemohou pohybovat. Směr pohybu prvků na mřížce se v rámci uvedených pravidel volí náhodně. Některé počáteční konfigurace vytvářejí sekvence stavů buněčného automatu, které vedou ke stabilním autopoietickým uspořádáním připomínajícím buňky obsahující katalyzátor a substráty (cytoplazmu) obklopenou uzavřeným cyklickým řetězcem připomínajícím buněčnou membránu, viz poslední zobrazená fáze vývoje systému na obr. 11.8. Příklad takového vývoje Varelova buněčného automatu je na obr. 11.8. Na 246

2 dil kap 11.p65

246

23.7.2008, 13:47

počátku simulace (a) je síť zcela obsazena substráty a jenom jeden uzel obsahuje katalyzátor. V další fázi (b) vznikají články, které nejsou pospojovány do řetězců. V mřížce se navíc objevuje několik prázdných buněk. Dále (c) vznikají mezi jednotlivými články vazby vytvářející z nich řetězce. V poslední zachycené fázi (d) se řetězec článků spojil a uzavřel. Uvnitř takového cyklického řetězce je obsažen katalyzátor, tři články a dva substráty. Když se podobná situace objeví, uzavřený řetězec může stabilizovat sám sebe. V dalších fázích vývoje, které již na obr. 11.8 nejsou znázorněny, články postupně zanikají, ale jsou nahrazovány novými. Varelův buněčný automat pomocí počítačové simulace napodobil autopoietickou síť jako křehkou rovnováhu mezi dezintegrací uzavřeného řetězce a jeho opravami. Takové chování systému připomíná projevy živých buněk.

11.4 P¯ehled d˘leûit˝ch definic a pojm˘ Atraktor je množina, ke které po dlouhé době dospěje konfigurace v čase se vyvíjejícího dynamického systému. Z hlediska geometrického může být atraktorem bod, křivka nebo plocha v konfiguračním prostoru, které mohou mít i fraktální charakter. Bělousovova-Žabotinského reakce: B. P. Bělousov objevil v 50. letech 20. století oscilace v koncentracích katalyzátoru při oxidační reakci kyseliny citronové bromičnanem. A. M. Žabotinský později pokračoval ve studiu těchto neobvyklých chemických reakcí a od té doby se tyto reakce označují jako BZ reakce. BZ reakce jsou hojně zkoumány, jak experimentálně, tak teoreticky, pomocí matematického modelování, protože ukazují řadu typů nelineárního dynamického chování. Bifurkační bod označuje okamžik zvratu na deterministické vývojové linii systému, kdy dojde k rozdělení dráhy jeho vývoje. Disipativní struktura (termín fyzika I. Prigogina) je struktura, která vzniká a udržuje se díky výměnám energie s vnějším světem za nerovnovážných podmínek. Fraktál je geometrický sobě podobný objekt. Makroskopické geometrické motivy se v něm objevují na libovolně mikroskopické úrovni. Genomika je vědecká disciplína, která se zabývá studiem genetické výbavy organismů. Jejím cílem je určení všech sekvencí DNA daného druhu a vytvoření tak zvaných genetických map. 247

2 dil kap 11.p65

247

23.7.2008, 13:47

Chemický potenciál je termín zavedený americkým fyzikem Willardem Gibbsem v roce 1876. Je definován jako hodnota změny entropie systému vzniklá vložením nové částice při konstantní hodnotě celkové energie a objemu. Metabolismus (z řec. metabolismos – změna) neboli látková přeměna je soubor všech enzymových reakcí (tzv. metabolických drah), při nichž dochází k přeměně látek a energií v buňkách a v živých organismech. Podle alternativní definice je metabolismus látková a energetická výměna, tedy příjem a zpracování živin. Tkáňový nosič je umělý materiál sloužící jako podpůrná struktura pro pěstování buněk tkáně v tkáňovém inženýrství.

11.5 DoporuËen· a pouûit· literatura Capra F (2004) Tkáň života. Nová syntéza mysli a hmoty, Academia, Praha. (anglický originál: Capra F (1996) The web of life. A new synthesis of mind and matter, HarperCollins Publishers, New York.) Neumann J von (1966) Theory of self-reproducing automata (editor A. W. Burks), University of Illinois Press. Prigogine I Stangersová I (2001) Řád z chaosu. Nový dialog člověka s přírodou, Mladá fronta, Praha. (anglický originál: Prigogine I Stangersová I (1984) Order out of chaos. Men’s new dialogue with nature. Bantam Books, New York.) Schrodinger E (1992) What is life? Cambridge University Press, Cambridge. Varela F Maturana H Uribe R (1974) Autopoiesis: the organization of living systems, its characterization and model, BioSystems, 5, 187–196. Martinová L (2008) osobní sdělení.

248

2 dil kap 11.p65

248

23.7.2008, 13:47