nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Transkript

1 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

2 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY, UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V KARDIOCHIRURGII, ORTOPEDII, NEUROCHIRURGII Anna Papežová Václav Málek 2

3 OBSAH Zdravotní implantáty»rozdělení podle umístění na lidském těle Uhlíkové nanomateriály Jejich použití v»kardiochirurgii»ortopedii»neurochirurgii 3

4 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

5 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

6 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Oční implantát (čočky) Sluchový implantát Zubní implantáty 6

7 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Model lebky pacienta s implantátem z hydroxyapatitu Kožní štěpy 7

8 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

9 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

10 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY UMĚLÉ SRDCE Implantáty stentů Katetrizační výkony provádějí invazivní kardiologové cestou stehenní tepny (žíly) nebo cestou vřetenní tepny na pravém zápěstí. 10

11 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Výztuhy prstů u ruky Firma MEMOTAL Opora pro růst chrupavky 11

12 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Výztuhy prstů u nohy Výztuhy kladívkových prstů u chodidla ohřátí spon na tělesnou teplotu Ostatní výztuhy prstů Firma MEMOTAL 12

13 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

14 ZDRAVOTNÍ IMPLANTÁTY Fixace destičky ruky Šrouby pro upevnění 14

15 Alotropy uhlíku: UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY UHLÍK GRAFIT AMORFNÍ UHLÍK DIAMANT LONSDALEIT [1] 15

16 Nano-alotropy: UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY UHLÍK GRAFEN FULLEREN C60 UHLÍKOVÉ NANOTRUBICE [1] 16

17 2D částice UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY Nanodestička z atomů uhlíku GRAFEN Šestiúhelníková krystalová struktura Meziatomová vzdálenost 0,142nm Základní stavební prvek grafitu, uhlíkových nanotrubic, fullerenů [5] [2] 17

18 UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY GRAFEN Elektronické zubní tetování pro detekci bakterií [4] Umělá membrána oddělující dvě kapalné nádrže. [3] 18

19 1D částice UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY UHLÍKOVÉ NANOTRUBICE Struktura stejná jako grafenu Délka v řádu mikrometrů Aplikace v medicíně: navázání molekul léčiv, umělé svaly [8] [5] 19 [6]

20 UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY FULLERENY C60 [9] [10] C540 [11] [12] 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

21 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. 21

22 KARDIOCHIRURGIE Uhlíkové elektrody pro extracelulární záznam chorob srdce Biointerphases věstník Author (s) /s 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 :45 22

23 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]

24 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 Leptání nanotrubic do slitiny titanu (konvenční metoda vyžaduje platinu drahé) [17] 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

25 UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII Fibroblasty rostoucí na slitině titanu potažené nanotrubicemi Uhlíkoví nanotrubice v jamkách na povrchu titanu [18] [22] 25

26 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

27 UHLÍKOVÉ NANOMATERIÁLY V ORTOPEDII Umělý sval svazek uhlíkových vláken [21] [20] 27

28 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 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

29 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 nanotechnologie 29

30 30

31 PŘEDSTAVA BUDOUCÍHO NEUROCHIRURGA 31

32 SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ : : :05 Nanotechnology in medicine hippokratia.gr/index.php/hippo/article/.../ :

33 SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ h&prmd=imvns&tbnid=fusuqxc1huagem:&imgrefurl= Fid%3D279&docid=06BuMjQIKu- idm&itg=1&imgurl= lebecni_implantat.jpg&w=750&h=577&ei=uldvuoc4fij64qt924cgaw&zoom=1&iact=rc&dur =301&sig= &page=3&tbnh=130&tbnw=182&start=29&ndsp=20&ved =1t:429,r:6,s:29,i:203&tx=33&ty= : :05 33

34 SEZNAM POUŽITÝCH ODKAZŮ :05 Nanotechnology in medicine hippokratia.gr/index.php/hippo/article/.../ [ ] [ ] [ ] [ ] Jan Prášek, Brno: Nanoteam, Uhlíkové nanočástice: grafen, nanotrubice, fullereny. [ ] 34

35 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ [1] Jan Prášek, Brno: Nanoteam, Uhlíkové nanočástice: grafen, nanotrubice, fullereny. [ ] [2] [3] sequencing/ [ ] [4] [ ] [5] [ ] [6] [ ] [7] [ ] [8] [ ] [9] [ ] [10] [ ] [11] [ ] [12] [ ] [13] [ ] [14] [ ] [15] [ ] [16] [ ] [17] [ ] [18] [ ] [19] [ ] [20] [ ] [21] [ ] [22] [ ]