SEMMELWEIS EGYETEM
Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport
Bioanyagok Biológiai makromolekulák és polimerek közös és eltérő tulajdonságai. Gélek és gélesedés
Zrínyi Miklós egyetemi tanár, az MTA levelező tagja
[email protected]
Az anyagtudomány az anyagok szerkezetével, tulajdonságaival, a szerkezet és a tulajdonságok közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány.
A biológiai anyagtudomány az anyagok szerkezetével, tulajdonságaival, a szerkezet és a funkció közötti összefüggésekkel, a tulajdonságok megváltoztatásának, valamint új tulajdonságú biokompatibilis és biodegradábilis anyagok előállításának elvi alapjaival foglalkozó tudomány.
Technikai anyag
Élő anyag
monolit
hierarchikus
állandóság
folytonos megújulás
korrózió, károsodás
öngyógyulás
passzív
alkalmazkodó képesség
mérnöki struktúrák
önszerveződő struktúrák
elektronok
ionok
változatos energiaforrások
ATP
sokféle hatás
mozgás, bioszintézis
KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FELHASZNÁLÁS
KÉMIAI SZERKEZET TULAJDONSÁG FUNKCIÓ
Bioanyagoknak (biológiai anyagok) az élővilágot alkotó-, az élő szervezetek által előállított-, vagy befogadott (szintetikus) anyagokat nevezzük.
Biomimetikus anyagoknak azokat a szintetikus anyagokat nevezzük, amelyeknek összetételét, struktúráját vagy funkcióját a természetből vett példa szolgáltatja.
Anyagtudományi követelmények: Biokompatibilitás: A biológiai rendszerrel (többnyire emberi szervezet), vagy biológiai eredetű anyaggal való zavartalan összeférhetőség.
Hisztokompatibilitás (szövetekkel) Hemokompatibilitás (vérrel) Celluláris (sejtekkel) Biofunkcionalitás: Az adott anyag milyen mértékben képes betölteni a neki szánt funkciót.
Biokompatibilitást befolyásoló fő tényezők: Kémiai tulajdonság (konstitúció, konfiguráció, konformáció) Kémiai stabilitás ( degradáció, hidrolízis, ad(de)szorpció…) Fizikai tulajdonság (szilárdság, lágyság, reológia, nedvesedés…) Felületi tulajdonságok (érdesség, töltések, súrlódás...) Személyi állapot: életkor, nemiség, gyógyszerek…. In vitro teszt
In vivo teszt
Kemény biokompatibilis anyagok
Co-Cr-Mo Ti és ötvözetei (pl. Ti6Al4V) Mg
Emlékező fémek NITINOL
Lágy biokompatibilis anyagok
Alumínium-oxid: bioinert kerámia. Nagy nyomásszilárdság, kopásállóság, kedvező súrlódási tulajdonságok, kémiai stabilitás, bioinertség, kicsi szakítóés hajlítószilárdság, érzékeny a feszültségkoncentrációra és a túlterhelésre. Cirkónium-oxid Alumínium-oxid kerámia alternatívája. Fajtérfogat változás, belső feszültségek, kiküszöbölhető ittrium-oxid adagolással. Kalcium-foszfát kerámiák Bioaktív. Trikálcium-foszfát: Csontpotló. Tetrakalcium-foszfát: fogcement. Porózus fémfelületekre szokták leválasztani, hogy meggyorsítsák az implantátum beépülését a szervezetbe, meggátolják a fém korróziós termékeinek kiáramlását a szövetekbe
Anyagok
Felhasználás
Orvos-biológia viselkedés
Acél (ausztenites)
Osteosynthesis (csontcsavarok)
biotoleráns
Csontcement
Implantátumok rögzítése
biotoleráns
Titán
Acetabular fej
bioinert
Ti6Al4V ötvözet
Shafts csípőimplantátumok, tibia
bioinert
CoCrMo ötvözet
Femur and shafts, térd implants
Al2O3
Femoral balls, inserts of acetabular cups
bioinert
Zirconia (Y-TZP)
Femoral balls
bioinert
HD-polietilén
Articulation components
bioinert
Szén (grafit)
Heart valve components
bioinert
CFRP
Inserts of acetabulum
bioinert
Hidroxiapatit
bioaktív
Trikalcium-foszfát
Csonthiányok feltöltése, felületi réteg, fülimplantátumok, vertebrae replacement Csontpótlás
Tetrackalcium-foszfát
Fogcement
bioaktív
Bioüveg
Csontpótlás
bioaktív
bioinert (?)
bioaktív
SZINTETIKUS POLIMER BIOANYAGOK Poly(2-hydroxy ethyl methacrylate). Poly(urethanes) Poly(N-vinyl pyrrolidone). Poly(siloxanes) Poly(methyl methacrylate). Poly(methyl methacrylate) Poly(vinyl alcohol). Poly(vinyl alcohol) Poly(acrylic acid). Poly(ethylene) Polyacrylamide. Poly(vinyl pyrrolidone) Poly(ethylene-co-vinyl acetate). Poly(ethylene glycol). Biokompatibilis polimerek Poly(methacrylic acid). Polylactides (PLA). Polyglycolides (PGA). Poly(lactide-co-glycolides) (PLGA). Biodegradábilis polimerek Polyanhydrides. Polyorthoesters.
Biodegradációt meghatározó mennyiségek Chemical structure. Chemical composition. Distribution of repeat units in multimers. Presents of ionic groups. Presence of unexpected units or chain defects. Configuration structure. Molecular weight. Molecular-weight distribution. Morphology (amorphous/semicrystalline, microstructures, residual stresses). Presence of low-molecular-weight compounds. Processing conditions. Annealing. Sterilization process. Storage history. Shape. Site of implantation. Adsorbed and absorbed compounds (water, lipids, ions, etc.).
Biológiai makromolekulák és polimerek közös és eltérő tulajdonságai Monomerek szintetikus
polimerek
biológiai
makromolekulák
Konstitúció - konfiguráció - konformáció szintetikus
polimerek
biológiai
makromolekulák
Rendezett térszerkezet szintetikus
polimerek
biológiai
makromolekulák
Molekulatömeg eloszlás szintetikus
biológiai
polimerek
makromolekulák
polidiszperz
monodiszperz ?
Molekulatömeg átlagok: Mn =
∑ ni M i i
∑n
i
i
Mm
∑n M = ∑n M i
2 i
i
i
i
i
M ≈ 104 − 108 Mm Polidiszperzitás = ≥1 Mn
Térszerkezet
Statisztikus gombolyag
M
Szabályos térszerkezet
104 − 108
The hydrophilic side chains of lysine and glutamic acid are on the upper side and the hydrophobic side chains of valine, cysteine, and tyrosine are directed toward the bottom side of this model.
Hajlékonyláncú polimerek térszerkezetének jellemzése
R = as ⋅ N
R = as ⋅ N
3/5 m
1/2 m
y
x
Bolyongási probléma
Önelkerülő bolyongási probléma
Kizárt térfogat hatás!
Gombolyag koncentráció
Nm ⋅Vm c* = Vcoil
4R3π Vcoil = ∝ R3 3 Vcoil ∝ R3 ∝ Nm3ν
Nm Nm c* ∝ 3 ∝ 3ν = Nm1−3ν R Nm
c* ∝ N
1−3ν m
R = as ⋅ Nm3/5 Fraktál objektum
c* ∝ N m−1/2
Ideális eset!
−4/5 m 0 m
Reális eset!
c* ∝ N
c* ∝ N
Kollapszus!
Miért oldódnak kevésbé a nagymolekulatömegű anyagok?
∆ eG = ∆ e H − T ∆ e S monomer
c=
Atermikus eset: ∆ eG ≅ −T ∆ e S
S = k B ln W
polimer
10 64
c=
WA , B =
( N A + N B )! = 1,51⋅1011 N A !NB !
S A, B = k B ln(1,51 ⋅1011 )
∆GA, B = −k BT ln(1,51⋅1011 )
Nagyobb termodinamikai hajtóerő!
10 64
WA, B = 64 ⋅ 4 ⋅ 38 = 6144 S P , A = k B ln(6144) ∆GP , A = − k BT ln(6144)
Kisebb termodinamikai hajtóerő!
Entrópia rugalmasság f neo-Hooke törvény
(
f / ro2π = G λx − λx2 Nominális feszültség
hirtelen nyújtás
)
Q>0
deformáció arány
„nyíró„modulusz
E G= 2(1 +ν )
melegítés
∆l < 0
Poisson arány Egyirányú deformációnál a keresztirányú alakváltozás és a hosszirányú alakváltozás viszonya.
M M
F = U − TS
∂F ∂U ∂S f ( L) = = − T = fU + f S ∂L T ,V ∂L T ,V ∂L T ,V
∂S f S = −T ∂L T ,V
∂F S = − ∂T
∂ ∂F ∂ ∂F ∂S ∂f f S = −T = T = T = T ∂L ∂T ∂T ∂L ∂L T ,V ∂T
∂f fS = T ∂T λ ,V
f ≅ f S >> f U
∂f fU = f − T ∂T λ ,V
GÉLEK Könnyebb körülírni, mint definiálni. (P.J.Flory) Átmenet a szilárd testek és a folyadékok között.
Főbb jellegzetességek: 3D szerkezet nagy mennnyiségű fluid fázis
3D szerkezet: - makromolekulák - tenzidek - mikrofázisok fluid fázis: - víz, vizes oldat - szerves oldószer - gáz
hidrogél organogél xerogél
Termikus stabilitás alapján: • •
termoreverzibilis permanens
(fizikai) (kémiai)
Gélesedés: viszkozitás modulusz
→ végtelen a gélpontnál → növekszik a gélponttól
oldat→ gél pont→ szilárdtest
polimergél szappangél részecskegél
→ → →
rugalmas viszkoelasztikus merev
Hibrid és kompozit gélek
Fizikai gél képződése: kristályosodás • hélix képződés • H-híd kötés • Coulomb kölcsönhatás •
Kémiai gél képződése: térhálósítás • térhálósító polimerizáció •
Gél szerkezetek I.
mikrofázis
mikrokristályok
Anizometrikus részecskék
29
Kovalens kötés
Gél szerkezetek II. AAm
interpenetráló
micelláris
XGélesedés
31
Gelation mechanism:
Gels:
physical gels
• colloidal aggregation • crystallisation • helix formation • H-bond • Coulombic interactions
V
V
koagulálás Vmax
d
d
stable sol
aggregates
Vmax > 10kBT
Vmax ≤ 10kBT
Fast coagulation (only attractive forces) V
d
Vmax ≤ 10kBT
Theoretical approach to gelation Percolation: The transition associated with the formation of a continuous path spanning an arbitrarily large ("infinite") range.
Bond percolation
Site percolation
Gel Formation Association of chains (junction Zones) in order to produce a permanent network Diverse models for gel formation:
Alginate
Guluronic acid
Mannuronic acid
Gelation of alginates • High M-alginates form turbid gels low elastic modulus • High G alginates: stiff, transparent, brittle gels • Gelation depends on cation • Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+
42
43
galacturonic acid forming cells for cations
Agarose seaweed galactose residues sulfated more sulfate less well it gels
Xanthan galactomannan gels
Gelation mechanism:
Polymer gels:
(chemistry) chemical
• crosslinking polymerization • crosslinking of macromolecules polymer gels → highly elastic surfactant gels → viscoelastic particle gels → rigid
Duzzadási egyensúly
1. c* elmélet (de Gennes) 2. Termodinamikai leírás (P.J.Flory)
1. c* elmélet (de Gennes)
gél=gombolagok összesége ( cG )
Statisztikus c* gombolyag ( )
A gél koncentrációja arányos a gombolyag átlagos koncentrációjával
cG = kg ⋅ c *
A gombolyag átlagos koncentrációja:
Nm ⋅Vm c* = Vcoil
ν
R = as ⋅ Nm
4R3π Vcoil = ∝ R3 3 Vcoil ∝ R3 ∝ Nm3ν
Nm Nm c* ∝ 3 ∝ 3ν = Nm1−3ν R Nm
c* ∝ N
1−3ν m
y
x
Önelkerülő bolyongás
cG = kg ⋅ c * Egyensúlyi koncentráció:
cG ∝ N
1−3ν c
c* ∝ Nc1−3ν
Jó oldószer:
−4/5 c ∝ N duzzadt gombolyag ν ≅ 3/ 5 G c
Ideális eset:
ν = 1/ 2 cG ∝ Nc−1/ 2
In poor solvent: ν = 1/ 3
kis duzzadásfok
cG ∝ Nc0
Θ állapot kollapszus
Nagy duzzadásfok
