Bioaktivní materiály in vivo, in vitro Aleš Helebrant Ústav skla a keramiky Fakulta chemické technologie VŠCHT Praha
OBSAH Úvod definice biomateriálu, biomateriály v lidském těle bioaktivní x bioinertní materiály In vivo a in vitro testy Vývoj testů in vitro, simulace tělního prostředí Kinetika interakce, parametry charakterizující bioaktivitu Mechanismy interakce bioaktivních materiálů se simulovanou tělní tekutinou (SBF) Příprava nových biomateriálů a bioaktivních vrstev
In vivo definice biomateriálů biomateriál biologický materiál 1. Neživý materiál použitý v lékařských přípravcích určený k interakci s biologickými systémy [ESB Consensus Conference I] 2. Materiál určený k ochraně, posílení nebo náhradě tkání, orgánů nebo tělesných funkcí, používaný v těsném kontaktu s biologickými systémy [ESB Consensus Conference II] 3. (V chirurgii) syntetický materiál určený k náhradě části živého systému nebo k funkci v těsném kontaktu s živou tkání [Wikipedia] [Ratner, 2005]
In vivo příklady biomateriálů [Ratner, 2005]
In vivo příklady anorganických biomateriálů
In vivo - základní dělení biomateriálů bioinertní mechanická morfologická fixace bioaktivní vznik pevné vazby resorbovatelné
In vivo bioaktivní x bioinertní Bioaktivní Bioinertní ní Bioglas SiO 2, Na 2 O, CaO, P 2 O 5 HAp Ti Měkká tkáň + - Tvorba přímé pevné vazby s obklopující tkání přes vrstvu HAp Mechanické vlastnosti - + Zapouzdření implantátu měkkou tkání Mechanické vlastnosti HAp - Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2
Princip bioaktivního chování skel přesycení + gelová struktura Na + Ca 2+ SiO 2 gel vrstva sklo Bioaktivní sklo (Na 2 O-CaO-SiO 2 ) [Hench;1977, 1993]
In vivo Buňky In vivo a in vitro testy Krev Plasma 45% 55% blood plasma [mmol/l] SBF [mmol/l] Na + 137-147,0 142,0 K + 3,8-5,1 5,0 Ca 2+ 2,25-2,75 2,5 Mg 2+ 0,75-1,25 1,5 Cl - 98-106 147,8 - HCO 3 24-35 4,2 2- HPO 4 0,65-1,62 1,0 2- SO 4 0,5 0,5 Organická část Anorganická část In vitro SBF Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Cl - HCO 3 2- PO 4 3- SO 4 2- [Jonášová, Helebrant, Šanda; 1999, 2002] [Kokubo 1995; Takadama et al. 2004]
In vivo a in vitro testy rozhraní kost-implantát Sklokeramika HA povrch implantátu v SBF HAp kost HAp - Ca10(PO4)6(OH)2 [Strnad, Helebrant, Hamáčková, Maryška, 2000]
In vitro testy statické x dynamické Spektrofotometr OM, SEM/EDS, ESCA Roztok SBF Peristaltické čerpadlo 0,04 ml/min Cela Vzorek Termostat 37 C [Strnad, Skrčená, Protivínský, Helebrant; 2002]
100 Analýza roztoku porovnání bioaktivních a bioinertních materiálů 120 c (PO 4 3- ) [mg/l] 90 80 70 60 50 Ca=6,7 at.% P=0,7 at.% Ca= 67,9 = 65,2at% at.% P=35,8 P=35.8 at.% at% bioaktivní Ti c (PO 4 3- ) [mg/l] 100 80 60 40 20 bioinertní Ti (c.p.) 40 0 20 40 60 80 0 0 20 40 60 80 Čas [h] Čas [h] 120 120 100 100 c (PO 4 3- ) [mg/l] 80 60 40 bioaktivní sklo c (PO 4 3- ) [mg/l] 80 60 40 bioinertní sklo 20 20 0 0 0 50 100 150 200 0 10 20 30 40 50 Čas [min] Čas [min]
Analýza roztoku charakteristické parametry interakce c (PO 4 3- ) [mg/l] 100 90 80 70 60 50 Indukční čas ADSORPCE Růst krystalů Ustálený stav m (PO4 3- ) mg 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Ti bioaktivní t ind = 25,6 h 40 0 20 40 60 80 0,0 0 20 40 60 80 Čas [h] Čas [h] [Strnad, Skrčená, Protivínský, Helebrant; 2002]
Analýza povrchu rtg difrakce, SEM-EDS Intensity [arb. units] Synt. HA 16-Sep-1998 8:50:52 HA Plasma Auto-VS Preset=Off Vert=3712 counts Disp=1 Comp=3 Elapsed=57 sec Ca 20um at. mol.ca/p=1.58 P precipitate Bone apatite (pig femur) P Ca 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,000 Range = 10.230 kev Integral 0 = 83557 10.110 2Θ, CuK α [deg] defektní kostní apatit
Analýza povrchu - kvantitativní parametry pro určení míry bioaktivity Hodnocené parametry: průměr sférolitů max. průměr sférolitů (10 částic) podíl pokrytého povrchu počet částic na jednotce povrchu
Analýza povrchu kvantitativní parametry pro určení míry bioaktivity area fraction [%], max.diameter [um] 14 12 10 8 6 4 2 80 70 60 50 40 30 20 10 area fraction max. diameter num ber of objects analýza na 5 místech 1 vzorku 0 1 2 3 4 5 location 0 area fraction [%], max. diameter [um] 12 10 8 6 4 2 0 sample 1 sample 2 sample 3 sample 4 100 80 60 40 20 0 area fraction max. diameter number of objects 4 vzorky v SBF loužené za stejných podmínek Max. průměr [Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000]
ln R -9-9.5-10 -10.5-11 R 2 = 0.95 Určení řídícího mechanismu interakce 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 ln (S-1) I K AP = k 18 1 solution roztok supersaturation přesycení IAP/K growth R [um/h] rate ind. induction čas [h] Regression R 2 (IP/K s ) [um/hour] time [hours] coefficient [R 2 ] 1 SBF 4.1. 10 21 0.15 26.0 0.98 1.2 SBF 2.8. 10 23 0.19 13.6 0.99 1.5 SBF 4.0. 10 24 0.20 11.1 0.99 1.6 SBF 8.7. 10 24 0.21 9.2 0.97 R n řídící mechanismus n: 0<n<1.2 - adsorpce nebo transport iontů n 2 spirálový růst n > 2.5 - nukleace [Nancollas 1989] max. diameter (um). 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1.6 SBF 1.5 SBF 1.2 SBF 1 SBF n 0.72 0 20 40 60 80 100 120 time (hours) weight [mg] 14 12 10 8 6 4 2 0 n 2.8 0 0 50 100 150 200 250 300 time [hours] 25 20 15 10 5 supersaturation (S-1) [Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000]
Návrh nových materiálů osseoindukční faktory přesycení + gelová struktura přesycení [Strnad, Helebrant, Hamáčková; 2000] gelová struktura Na + Ca 2+ Na + Ca 2+ Na + Ca 2+ SiO 2 gel SiO 2 gel SiO 2 sklo sklo Bioaktivní sklo (Na 2 O-CaO-SiO 2 ) SiO 2 sklo v 1.8 SBF vzorek pokrytý gelem SiO 2 v SBF
Návrh nových materiálů osseoindukční faktory bioaktivní Ti křemenné sklo po 48, 70, 94 hod v SBF po 48, 72, 120 křemenné sklo pokryté gelem SiO2 hod v 1.8 SBF. po 120 a 168 hod v SBF.
Chemické úpravy bioaktivní Ti Ti + HCl Čistý Ti kost kost Ti + HCl + NaOH kost Měkká tkáň Měkká tkáň 5 týdnů 12 týdnů pískovaný obrobený 5 týdnů [Kokubo et al. 1996] [Jonášová, Hlaváč; 2000] [Strnad, Helebrant; 2000] [Jonášová, Müller, Helebrant, Strnad, Greil; 2004]
Chemické úpravy bioaktivní Ti gel TiO 2 +Na + TiO 2 HCl NaOH Ti Inert.atm Ti Ca 2+ (PO 4 ) 3- Ca 2+ (CO 3 ) 2- (PO 4 ) 3- Ca 2+ Na + CaO-P 2 O 5 (CO 3 ) 2- tělní tekutina rekryst. hydroxyapatit
Návrh nových materiálů zvyšování rychlosti srážení HAp slinutý HAp vysoce porézní HAp [Protivínský, Veselý; 2002]
Chemické úpravy bioaktivní Ti gel TiO 2 +Na + TiO 2 HCl NaOH Ti Inert.atm Ti Ca 2+ (PO 4 ) 3- Ca 2+ (CO 3 ) 2- (PO 4 ) 3- Ca 2+ Na + CaO-P 2 O 5 (CO 3 ) 2- tělní tekutina rekryst. hydroxyapatit
Návrh nových materiálů použití prekalcifikačních roztoků roztok SCS1 SCS2 Ca 2+ koncentrace [mmol.dm -3 ] H HCO - 2 PO - 4 3 5,0 5,0 1,5 5,0 2,5 1,5 Podíl Ca/P [at%/at%] krystal SCS spodní vrstva krystal SCS1 2,47 1,60 1,85 SCS2 2,47 2,65 1,77 SCS3 0,63 0,45 1,29 SCS3 10,0 2,5 1,5 SCS+SBF spodní vrstva 1,88 1,32 1,37 SCS1 +SBF SCS2 +SBF SCS3 +SBF [Skrčená, Heide, Helebrant; 2005]
Návrh nových materiálů použití prekalcifikačních roztoků chem upravený Ti bez prekalcifikace + SBF chem. upravený Ti + SCS + SBF [Horváthová, Rohanová, Calvez, Helebrant 2005]
Děkuji Vám za pozornost