Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL
nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY,
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V KARDIOCHIRURGII, ORTOPEDII, NEUROCHIRURGII Anna Papežová Václav Málek 2
OBSAH • Zdravotní implantáty »Rozdělení podle umístění na lidském těle • Uhlíkové nanomateriály • Jejich použití v »Kardiochirurgii »Ortopedii »Neurochirurgii 3
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Účel - nahrazují poškozené části lidského těla - vyjímatelné výztuhy při léčbě Rozdělení: Implantáty – orgán nebo jeho část přenesený do organizmu, Protézy – umělá náhrada části těla Hlava - oční čočky, sluchový implantát, zubní implantáty, náhrada poškozené části lebky Tělo – transplantovaný kardiostimulátor, prsní implantáty, náhrady aorty a tepen, náhrady kostí – kloub ramene, obratle u páteře (pomocné destičky) Končetiny - ruce – klouby, úplná protéza 4 nohy – kloub kyčelní, kloub kolene
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY
23 kyčelní kloub 24 zápěstní kloub 25 klouby prstů 26 dlaha stehenní kosti
1 impl. vlasy 2 část lebeční kosti 3 impl. nosní kůstky 4 oční protéza 5 nitroušní sluchadlo 6 imp. ušního boltce 7 ušní boltec 8 protéza dolní čelisti 9 zuby 10 bradový implantát 11 Spitz-Holterova chlopeň 12 elektronický hrtan 13 ramenní kloub 14 srdeční chlopeň 15 srdeční stimulátor 16 filtr v plících 17 záplata srdeční stěny 18 náhrada tepny 19 loketní kloub 20 štěp tepny a žíly 21 kovová kostní dlaha 22 impl. části tenkého střeva 5
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY • Oční implantát (čočky)
• Sluchový implantát • Zubní implantáty
6
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY • Model lebky pacienta s implantátem z hydroxyapatitu
• Kožní štěpy
7
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY UMĚLÉ SRDCE
• Prvním umělým srdcem, které zcela plní funkci skutečného, je zařízení AbioCor, vážící asi 0,9 kilogramu. Energií je zásobován bezdrátově z baterie na těle pacienta, takže odpadají vedení, která jsou zdrojem infekce a dalších komplikací. • První transplantace umělého srdce implantovali před 30 lety, • 2. prosince 1982, lékaři pod vedením Williama DeVriese v americkém Utahu. • Umělé srdce se implantuje, pokud není k dispozici orgán vhodný pro transplantaci a těžce nemocný pacient má v poslední fázi koronárního onemocnění vyhlídky na méně než měsíc života. 8 http://www.cktch.cz/index.php/pro-pacienty/uitene-informace/chlopenni-srdeni-vady
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY UMĚLÉ SRDCE • Implantáty srdečních chlopní Důvodem k operaci srdeční chlopně je její postižení-zúžení nebo nedomykavost (vrozená vada, degenerace věkem, revmatický zánět, infekce ) Mechanické umělé srdeční chlopně jsou technicky dokonalé, obnoví bezchybnou funkci srdečního ventilu. Použití chlopní z biologických materiálů je výhodné použít u nemocných vyššího věku.
9 http://www.cktch.cz/index.php/pro-pacienty/uitene-informace/chlopenni-srdeni-vady
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY UMĚLÉ SRDCE
• Implantáty stentů Katetrizační výkony provádějí invazivní kardiologové cestou stehenní tepny (žíly) nebo cestou vřetenní tepny na pravém zápěstí.
http://www.cktch.cz/index.php/pro-pacienty/uitene-informace/chlopenni-srdeni-vady
10
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Výztuhy prstů u ruky
Firma MEMOTAL
Opora pro růst chrupavky 11
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Výztuhy prstů u nohy • Výztuhy kladívkových prstů u chodidla
ohřátí spon na tělesnou teplotu • Ostatní výztuhy prstů Firma MEMOTAL
12
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY • Kotvy vazů úponu svalů
The MICRO-ARIM® 1mm anchor features SuperElastic
Do předvrtaných otvorů Ø 2mm se vloží pomocí přípravku kotva, která se samovolně roztáhne.
13
ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY •
Fixace destičky ruky
• Šrouby pro upevnění
14
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY
UHLÍK • Alotropy uhlíku:
GRAFIT
AMORFNÍ UHLÍK
DIAMANT LONSDALEIT
[1] 15
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY
UHLÍK • Nano-alotropy:
GRAFEN
FULLEREN C60 [1]
UHLÍKOVÉ NANOTRUBICE
16
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY • • • • •
GRAFEN
2D částice Nanodestička z atomů uhlíku Šestiúhelníková krystalová struktura Meziatomová vzdálenost 0,142nm Základní stavební prvek grafitu, uhlíkových nanotrubic, fullerenů
[5] [2]
17
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY
GRAFEN Elektronické zubní tetování pro detekci bakterií •
[4]
• Umělá membrána oddělující dvě kapalné nádrže. [3]
18
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY
UHLÍKOVÉ NANOTRUBICE • • • •
1D částice Struktura stejná jako grafenu Délka v řádu mikrometrů Aplikace v medicíně: navázání molekul léčiv, umělé svaly [8]
[5] 19
[6]
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY
FULLERENY
C60
[9] [10]
C540
[11]
• 0D čístice velikost v jednotkách nanometrů • Jediná grafenová vrstva – prostorově sbalena do uzavřeného tvaru • Aplikace v medicíně: antioxidanty, nosiče pro geny a cílenou dopravu léčiv, inhibitory HIV proteázy 20
[12]
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY KARDIOCHIRURGIE Náplast z nanotrubic pomáhá léčit srdce Vědci z Brown University vytvořili malou náplast vyrobenou z uhlíkových nanotrubic pro oblasti, které byly poškozeny, například od infarktu. Uhlíkové nanotrubice napodobují přirozené tkáně a můžou regenerovat srdeční buňky. Materiál kompenzuje nervové buňky v srdeční stěně a speciální třídy buněk, kteréb se spontánně roztahují a smršťují, udržují tak srdce bít v dokonalé synchronitě, i když jsou nenávratně ztraceny po srdečním infarktu. http://www.kurzweilai.net/nanotube-patch-helps-heal-the-heart
21
KARDIOCHIRURGIE Uhlíkové elektrody pro extracelulární záznam chorob srdce Biointerphases věstník © Author (s) 2012 10.1007/s13758-012-0058-2 Christoph Nick, Ravi Joshi , Jörg J. Schneider a Christiane Thielemann
Nejnižší impedance na rozhraní mezi tkání a vodivými elektrodami má zásadní význam pro elektrický záznam nebo stimulaci srdce a mozkové tkáně. Zlepšení u buněk signálu přenosu náboje pro stimulaci aplikací, je zvýšit elektrochemicky u aktivní elektrody plochu. Metoda snížení impedance mikroelektrod zavedením uhlíkových nanotrubic (ČNTS), který nabízí extrémně drsný povrch po srdečním infarktu. Je prokázáno z impedanční spektroskopie, že snímače vlastnosti elektrod uhlíkových nanotrubiček jsou lepší než konvenční zlato a elektrody z nitridu titanu. a) sekce svazku elektrod b) mikroektroda CNT 30µm http://link.springer.com/article/10.1007/s13758-012-0058-2/fultext.html 3.10.2012 18:45
22
ORTOPEDIE ὀρϑός (orthos, přímý) a παιδεύειν (paideuein, vychovávat; paidion, dítě)
• Zabývá se prevencí, léčbou a rehabilitací poruch a onemocněí podpůrného a pohybového aparátu [16]
[13] [14]
23 [15]
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII • Ortopedické implantáty – Na opravu poškozených kostí a kloubů – Materiál: slitiny titanu + lehké, super silné, uvnitř těla inertní - zrcadlový povrch, buňky nepřilnou [17]
Leptání nanotrubic do slitiny titanu (konvenční metoda vyžaduje platinu – drahé) Leptání nanotrubic do slitiny titanu pomocí slabého roztoku fluoridu amonného Chemické ošetření a následné aplikování el. proudu na povrch slitiny titanu – drobné jamky – pěstování uhlíkových nanotrubice
[19] 24
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII • Fibroblasty rostoucí na slitině titanu potažené nanotrubicemi • Uhlíkoví nanotrubice v jamkách na povrchu titanu
[18]
[22] 25
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII • Umělé svaly – Použití u průmyslových robotů / výrobu dokonalých protetických končetin – Svaly z uhlíkových nanotrubiček
– AEROGEL = uhlíková nanovlákna + plyn – Reagují na elektrický náboj – 100x silnější než přirozené svaly – Pružnější než guma
[21]
26
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII • Umělý sval – svazek uhlíkových vláken
[21]
[20]
27
UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V NEUROCHIRURGII Peptidy a proteiny jako konstrukční materiály V roce 1993 náhodou objevil S.Zhang při samosestavování iontových vazeb novou třídu založených na oligopeptidech. Po deseti letech výzkumů byla komercializována pod značkou PuraMatrix. Je to samosestavená trojrozměrná, na aminokyselinách založená hydrogelová kostra, sestávající z vláken krátkých fragmentů amfifilických oligopeptidů (16 aminokyselin, délka 5nm). Průměr vláken je 7-10 nm, velikost ok sítě je 50-400 nm.
Peptidy a proteiny byly použity rovněž jako templáty pro vytváření různých nanostruktur, byly vytvořeny nanotečky ZnS, Ag nanočástice a v poslední době nanočástice oxidu kobaltu. Výše zmíněná samosestavující se peptidová nanovláknová kostra byla úspěšně použita při výzkumu možnosti opravy poraněných mozkových tkání křečka. materiál PuraMatrix 28
KMENOVÉ BUŇKY V NEUROCHIRURGII Naděje pro pacienty s ALS Amyotrofická laterální skleróza (ALS) je progresivní neurodegenerativní onemocnění, které se vyskytuje jak v dědičné, tak získané formě. V současnosti existuje pouze symptomatická léčba a za jediný relativně specifický lék je považován riluzol, který inhibuje uvolňování glutamátu a předpokládá se i blíže neurčený inhibiční efekt na postsynaptickou fázi přenosu.
V Ústavu experimentální medicíny AV ČR byla u geneticky modifikovaných potkanů, kterým byly do bederní míchy transplantovány lidské neurální kmenové buňky, pozorována diferenciace těchto buněk do neuronů vytvářejících synaptické kontakty s hostitelskými neurony a produkce některých trofických faktorů. Klinicky došlo k oddálení projevů onemocnění a prodloužení přežití. Oddělení profesorky Sykové v Centru neurovědy už začalo s podáváním mesenchymálních buněk kostní dřeně potkanům s mutací v genu SOD1, která modeluje lidskou dědičnou poruchu ALS. První výsledky jsou povzbudivé a lze tedy očekávat, že po provedení vícečetných experimentů bude tato léčba dostupná i v humánní medicíně.
Evropský týden mozku 2010 http://zdravi.e15.cz/clanek/mlada-fronta-zdravotnicke-noviny-zdn/tyden-mozku-2010-450490
22.3.2010 nanotechnologie
29
30
PŘEDSTAVA BUDOUCÍHO NEUROCHIRURGA
31
SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ
http://www.novinky.cz/domaci/224638-unikatni-zabery-nahrazeni-lebky-biokeramikou.html 7.10.2012 19:05 http://www.audionika.cz/medel/stranka/operace http://www.kurzweilai.net/nanotube-patch-helps-heal-the-heart 3.10.2012 http://link.springer.com/article/10.1007/s13758-012-0058-2/fultext.html 3.10.2012 18:45 http://www.novinky.cz/zena/zdravi/40051-umele-srdce-nahrazuje-transplantace.html 25.11.2012 http://kardiochirurgie.fnhk.cz/chlopne.htm 3.10.12 18:05 http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13758-012-0058-2 Nanotechnology in medicine hippokratia.gr/index.php/hippo/article/.../180 25.11.2012 http://www.ipvz.cz/pracoviste/2082/kontakty-pracoviste.aspx 27.11.2012 http://www.novinky.cz/domaci/224638-unikatni-zabery-nahrazeni-lebky-biokeramikou.html 7.10.2012 19:05 http://www.ahaonline.cz/clanek/musite-vedet/22582/ziju-s-umelym-okem.html http://www.audionika.cz/medel/stranka/operace
32
SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ
http://www.google.cz/imgres?q=implant%C3%A1ty&hl=cs&sa=X&biw=981&bih=572&tbm=isc h&prmd=imvns&tbnid=fUsuQXc1hUageM:&imgrefurl=http://inovacnipodnikani.cz/aktuality/%3 Fid%3D279&docid=06BuMjQIKuidM&itg=1&imgurl=http://inovacnipodnikani.cz/files/new279/300lebecni_implantat.jpg&w=750&h=577&ei=UldvUOC4FIj64QT924CgAw&zoom=1&iact=rc&dur =301&sig=105482057640827603590&page=3&tbnh=130&tbnw=182&start=29&ndsp=20&ved =1t:429,r:6,s:29,i:203&tx=33&ty=8 http://www.kurzweilai.net/nanotube-patch-helps-heal-the-heart 3.10.2012 http://link.springer.com/article/10.1007/s13758-012-0058-2/fultext.html 3.10.2012 18:45 http://www.novinky.cz/zena/zdravi/40051-umele-srdce-nahrazuje-transplantace.html 25.11.2012 http://kardiochirurgie.fnhk.cz/chlopne.htm 3.10.12 18:05
33
SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ
http://www.novinky.cz/zena/zdravi/40051-umele-srdce-nahrazuje-transplantace.html 25.11.2012 http://kardiochirurgie.fnhk.cz/chlopne.htm 3.10.12 18:05 http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13758-012-0058-2 Nanotechnology in medicine hippokratia.gr/index.php/hippo/article/.../180 25.11.2012 http://www.ipvz.cz/pracoviste/2082/kontakty-pracoviste.aspx 27.11.2012
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2676811/ [4.12.2012] http://cs.wikipedia.org/wiki/Ortopedie [4.12.2012] http://phys.org/news193416889.html#nRlv [4.12.2012] http://www.osel.cz/index.php?clanek=4302 [4.12.2012] Jan Prášek, Brno: Nanoteam, 2011. Uhlíkové nanočástice: grafen, nanotrubice, fullereny. [4.12.2012]
34
SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ
[1] Jan Prášek, Brno: Nanoteam, 2011. Uhlíkové nanočástice: grafen, nanotrubice, fullereny. [4.12.2012] [2] http://smartmania.cz/clanky/nova-technologie-pomuze-zvysit-kapacitu-li-ion-akumulatoru-1634 [3] http://news.harvard.edu/gazette/story/newsplus/graphene-may-hold-key-inexpensive-and-rapid-dna- sequencing/ [4.12.2012] [4] http://www.gate2biotech.cz/elektronicke-zubni-tetovani-pro-detekci-bakterii/ [4.12.2012] [5] http://pl2011.eu/en/about_poland/science_and_economy [4.12.2012] [6] http://www.hielscher.com/cs/nano_03.htm [4.12.2012] [7] http://www.futuretimeline.net/subject/nanotechnology.htm [4.12.2012] [8] http://inovacnipodnikani.cz/aktuality/?id=945 [4.12.2012] [9] http://it.wikipedia.org/wiki/File:Fullereny.jpg [4.12.2012] [10] http://www.ornl.gov/~pk7/pictures/c60.html [4.12.2012] [11] http://www.fkf.mpg.de/124932/Direct_Synthesis_of_Fullerenes [4.12.2012] [12] http://www.dreamstime.com/stock-photos-nanocluster-fullerene-c540-molecular-model-image23517193 [4.12.2012] [13] http://www.ochsner.org/services/orthopedics_general_orthopedics/ [4.12.2012] [14] http://www.ramchealth.com/LeftNav/Services/Orthopedics/tabid/186/Default.aspx [4.12.2012] [15]http://w.orthomedplus.at/index.php?lang=EN&page=leistungen&ucat=operationen&id=hueftprothese&nav=offen [4.12.2012] [16] http://www.stlukesmedcenter.com/services/orthopedic/ [4.12.2012] [17] http://www.medgadget.com/2011/07/intelligent-orthosensor-devices-provide-real-time-reporting-on-the-condition-of-yourorthopaedic-implant.html [4.12.2012] [18] http://phys.org/news193416889.html#nRlv [4.12.2012] [19] http://www.orthopediclaw.com/ [4.12.2012] [20] http://21stoleti.cz/blog/2011/05/20/umele-svaly-nahradi-100-svalovcu/ [4.12.2012] [21] http://www.osel.cz/index.php?clanek=4302 [4.12.2012] [22] http://www.technologyreview.com/news/408759/building-better-implants/ [4.12.2012]
