Progres in textile science and technology, TUL Liberec 2004 Pokroky v textilních vědách a technologiích, TUL v Liberci 2004
Sec. 9 Physical-chemistry study of composites biocompatibility Sek. 9 Fyzikálně chemické studium biokompatibility kompozitů Grégr Jan, Horská Irena, katedra chemie FP TU v Liberci, Malinovská Helena, Katedra textilních materiálů FT TU v Liberci, e-mail:
[email protected],
[email protected] This work concerns on study of carbon-carbon composite surface designated for a bio-application. In the experiment were used three groups of carbon-carbon composites, one group of composites made of ceramic fibers and polysiloxane resin, and biological material (a bone). Surface wettability of composite materials was studied by using model liquids. Liquids used in experimentation were: distilled water, glycerine, formamide and ethylene glycol. Acquired values of contact angles were used for determination of critical surface energy by Zisman, Girifalco and Good. Values of surface energy components by Kaelble, Wu and Neumann. Roughness of composite materials was also measured. Comparing of characterictics composite and biological materials (surface, wettability) lead to discussion about applicability of examined composite materials in bioapplications. Práce se zabývá studiem povrchu uhlíkových kompozitů určených pro bioaplikace. V experimentu byly použity tři skupiny kompozitů uhlík-uhlík, jedna skupina kompozitů tvořená keramickými vlákny a polysiloxanovou pryskyřicí a biologický materiál (kost). Byla studována smáčivost povrchu materiálů modelovými kapalinami, kterými byly destilovaná voda, glycerin, formamid a etylenglykol. Získané hodnoty úhlů smáčení byly použity pro určení kritické povrchové energie dle Zismana, Girifalca a Gooda, složek povrchové energie dle Kaelbleho, Wua a Neumanna. Proměřena byla též drsnost. Porovnání charakteristik kompozitních a biologických materiálů (povrchu, smáčivosti) vedlo k diskuzi o vhodnosti použití studovaných kompozitních materiálů v bioaplikacích.
Keywords: Carbon-carbon composites, polysiloxane composites, biocompatibility, surface energy Klíčová slova: C/C kompozity, polysiloxanové kompozity, biokmpatibilita, povrchová energie 1.0
Úvod Zatímco o mechanických vlastnostech kompozitů pro bioaplikace bylo napsáno mnoho vědeckých článků, o fyzikálně chemické charakteristice povrchu těchto materiálů najdeme jen minimum informací. Při tom právě interakce povrchů implantátů s živou tkání má rozhodující vliv na možnost jejich vzájemného nekonfliktního působení. Prostudovali jsme několik typů kompozitů, u nichž se předpokládá uplatnění v lékařské praxi. Jednalo se především o uhlík-uhlíkové kompozity a kompozity na bázi anorganických vláken a karbonizované siloxanové pryskyřice. Pro charakterizaci povrchu těchto materiálů jsme zvolili metody na rozhraní materiálového inženýrství, fyzikální chemie a biochemie s modelovým použitím počítačové teoretické chemie. 2.0
Experimentální část Označení a základní charakteristika studovaných materiálů: Všechny studované materiály byly připraveny v Ústavu struktury a mechaniky hornin ČAV, Praha 1. skupina: vzorek 1, 2: C/C kompozit pokrytý vrstvou pyrolytického uhlíku. 2. skupina: vzorek 203A8, 203B8: C/C kompozit připravený z uhlíkových vláken Torayca T800, fenolformaldehydové pryskyřice Umaform LE, karbonizovaný při 1000ºC. 3. skupina: vzorek 206A8, 206B8: C/C kompozit připravený z uhlíkových vláken Torayca M46, fenolformaldehydové pryskyřice Umaform LE, karbonizovaný při 1000ºC.
1
4. skupina: vzorek 370/2, 370/4: kompozit připravený z keramických vláken Nextel 720, polysiloxanové pryskyřice, karbonizovaný při 1000ºC. 1. 2. 3. 4.
Použité metody a přístroje: Rastrovací elektronová mikroskopie, přístroj REM Vega. Dynamické měření povrchového napětí, tenzometr Krüss K12. Optická mikroskopie pro snímání tvaru kapek kapalin na povrchu materiálů ve spojení s obrazovou analýzou systém Lucia G. Měření drsnosti povrchů, přístroj Hommel Tester T500.
Použité software: ACD ChemSketch 5,0 fy Advanced Chemistry Development Inc. (Toronto) - freeware ChemSite Pro fy Chem SW 3.0
Výsledky a jejich diskuse
Obr. 1
Drsnost studovaných vzorků (přístroj Hommel Tester T500)
Obr. 2 Povrchová energie studovaných vzorků (tenzometr Krűss K12, kapky zpracované obrazovou analýzou Lucia G)
2
Obr. 3
Snímek kapky na kompozitu
Obr. 4
Snímek kapek na biologickém materiálu – kosti
Obr. 5
Studium interakce aminokyselin s funkčními skupinami na povrchu uhlíku (Simulace v software ChemSite Pro firmy Chem SW)
3
Obr. 6,7 SEM pohledy na povrch kosti (vlevo mechanicky čištěná, vpravo chemicky čištěná)
Obr. 8, 9 SEM pohledy na povrch kompozitů (vlevo s vrstvou pyrolytického grafitu, vpravo původní karbonizovaný kompozit) Tabulka 1:
Povrchové energie kompozitů a biomateriálů
materiál kosti
povrchová energie [mJ/m2] > 52
krevní plasma
61 ± 5
fibroin
64 ± 3
polylysin
56 ± 3
PHEMA
56 ± 3
studované kompozity
41,4 – 47,6
4
Aby živý organismus byl schopen přijmout a následně plně akceptovat jakýkoliv biomateriál (např. formou náhrady kosti), musí splňovat určité podmínky. Především povrch biomateriálu by měl být zvrásněn (leptáním či vypalováním) minimálně do hloubky 3 - 5 mikronů (porovnejte obrázky 6, 7 a 8, 9). Tento modifikovaný povrch by měl být pravděpodobně ještě coutován (pokryt např. polylysinem) (povrchová energie bude tedy srovnatelná s povrchem kostí). Vzniklé lakuny či mikrokaverny by přibližně měly odpovídat velikosti 1 buňky - fibroblastu. Toto zvrásnění by tedy mělo umožnit fibroblastickým buňkám kontinuálně kolonizovat povrch arteficiálního biomateriálu. Cílem je, aby na povrchu arteficiálního biomateriálu vznikl celulární monolayer. Pro další fyziologickou funkci tohoto biomateriálu je nezbytná kolonizace dalšími a funkčně již specializovanějšími buňkami. Primární monolayer proto musí vytvořit základní mikroprostředí pro fungování velké skupiny tzv. adhezivních proteinových makromolekul. Tyto adhezivní molekuly - proteiny- umožní kontakt (komunikaci) buňky s další buňkou a kontakt buňky s buněčnou matrix. Tyto adhezivní proteinové makromolekuly hrají nezastupitelnou roli v embryonálním vývoji, při diferenciaci buněk, při regeneraci buněk či při metastazování buněk. Na ahezivních interakcích mezi cirkulujícími leukocyty a mezi cévními endotelovými buňkami se zúčastňují adhezivní molekuly, které patří do tří rodin - selectiny, integriny a cadheriny. 1. Selectiny - karbohydráty, které vážou buněčné adhezivní proteiny. Jejich další úloha je při vazbě leukocytů (bílých krvinek) v zánětlivém ložisku (selectiny patří mezi živočišné lektiny, které jsou závislé na vápníku). 2. Integriny - jsou to receptory v cytoplasmatické membráně leukocytů, které se účastní interakce s jinými buňkami a s molekulami mezibuněčné hmoty. Jsou tvořeny heterodimérovými molekulami. Každá molekula obsahuje jeden polypeptridický řetězec α a jeden polypeptidický řetězec β, které jsou produkty různých strukturních genů. Doposud je známo 15 různých řetězců α a 8 řetězců β. Kombinací těchto řetězců vznikají tzv. integrínové podrodiny, které plní různé funkce. Jejich hlavní úlohou je vazba širokého spektra buněk ne komponenty matrix a na další buňky. 3. Cadheriny - jedná se o super rodinu adhezivních molekul, které se vyskytují ve všech buněčných typech, jejich snížená exprese je charakteristická pro tumory. 4.0
Závěr
Studované biomateriály by mohly být využívány jako trvalý štěp kompaktní kosti. Je třeba však vyvinout technologii, která zajistí fyziologickou povrchovou poróvitost tohoto materiálu tak, aby byl schopen minimální kapilarizace, a tudíž formy celoživotní náhrady a povrchové úpravy, která by zajistila fyzikálně chemickou kompatibilitu s adhezivními molekulami živočišných tkání. Poděkování: Příspěvek byl vypracován za podpory Výzkumného centra Textil LN 00B090 5,0
Literatura
Malinovská, H.: Studium povrchu uhlíkových kompozitů pro bioaplikace, KTM – 408, diplomová práce, TU V Liberci 2004. Vodrážka, Z.: Biochemie. Academia, Praha. 1992
5
