1

∆∆ιιάάββρρωωσσηη ΙΙααττρριικκώώνν εεννθθεεmicromicroάάττωωνν ΣΣοοφφίίαα ΠΠααππααδδάάκκηη ΙΙωωάάνννναα ΠΠααππααδδηηmicromicroηηττρρίίοουυ ΧΧΜΜ 55οο ΕΕξξ

2

11 ΕΕΙΙΣΣΑΑΓΓΩΩΓΓΗΗ

Πριν από περίπου 4000 χρόνια οι αρχαίοι Αιγύπτιοι χρησιmicroοποίησαν λινά ράmicromicroατα

(προερχόmicroενα από αντίστοιχο φυτό) microε φυσικά microέσα προσφύσεως (adhesives) για να

συγκρατούν τις άκρες της πληγής ώστε να επιτυγχάνεται κατάλληλη θεραπεία και

διατήρηση της αρχικής αντοχής του δέρmicroατος Παροmicroοίως χρησιmicroοποιήθησαν βαmicroβάκι

τρίχες ζώων και λεπτά δέρmicroατα από τους Ινδιάνους Αργότερα (πχ τον 20 και 110

αιώνα) χρησιmicroοποιούντο ράmicroατα από microετάξι και από έντερα γάτας κατά την διαδικασία

για το κλείσιmicroο των πληγών Κατά την διάρκεια του 190υ και 200υ αιώνα τα ράmicroατα

αποτελούν microία βασική microορφή χρήσιmicroων ιατρικών προιόντων

Τα τελευταία 90 χρόνια τα τεχνητά υλικά και συσκευές έχουν αναπτυχθεί τόσο

ώστε να microπορούν να αντικαθιστούν επιτυχώς ζωτικά microέρη του ανθρώπινου σώmicroατος

Αυτά τα ειδικά υλικά ndash ικανά να λειτουργούν σε άmicroεση επαφή microε ζωτικούς ιστούς microε

ελάχιστες ανεπιθύmicroητες παρενέργειες ή κίνδυνο απόρριψης από τον οργανισmicroό ndash

ονοmicroάζονται βιοϋλικά Συσκευές κατασκευασmicroένες από βιοϋλικά και σχεδιασmicroένες να

πραγmicroατοποιούν συγκεκριmicroένες λειτουργίες στον οργανισmicroό αναφέρονται ως βιοϊατρικές

συσκευές ή ενθέmicroατα

Τα πρώτα επιτυχηmicroένα ενθέmicroατα ήταν οστέινοι δίσκοι οι οποίοι παρουσιάστηκαν

στις αρχές του 1900 microε σκοπό να σταθεροποιήσουν κατάγmicroατα των οστών και να

επιταχύνουν την ίασή τους Πρόοδος των υλικών και των χειρουργικών τεχνικών

οδήγησε σε πειράmicroατα για την αντικατάσταση αιmicroοφόρων αγγείων το 1950 ενώ η

αντικατάσταση καρδιακών βαλβίδων και ισχιακών συνδέσmicroων ήταν υπό microελέτη στις

αρχές της δεκαετίας του 1960 Ταυτόχρονα microε την κατασκευή των πρώτων οστέινων

ενθεmicroάτων οι χειρούργοι διαπίστωσαν υλικά και κατασκευαστικά προβλήmicroατα που είχαν

σαν αποτέλεσmicroα την πρόωρη απώλεια λειτουργίας των ενθεmicroάτων όπως αναmicroένεται από

τη microηχανική αποτυχία διάβρωση και ελλιπή βιοσυmicroβατότητα Ο σχεδιασmicroός η επιλογή

των υλικών και η βιοσυmicroβατότητα παραmicroένουν τα τρία βασικότερα κριτήρια για την

κατασκευή βιοϊατρικών ενθεmicroάτων και συσκευών

Ένα είδος αστοχίας που microπορεί να συmicroβαίνει σε ένα βιοϋλικό είναι η προσβολή του

από το ανοσοποιητικό σύστηmicroα Ένα άλλο είδoς αστoχίας είναι η ανεπιθύmicroητη επίδραση

του εmicroφυτεύmicroατoς πάνω στo σώmicroα πχ η τοξικότητά του συmicroπεριλαmicroβανomicroένων των

αλλεργικών αvτιδράσεων ή την πρόκληση του καρκίνου Η βιοσυmicroβατότητα περιλαmicro-

βάνει την αποδοχή ενός τεχνητού εmicroφυτεύmicroατος από τους περιβάλλοντες ιστούς και από

3

το σώmicroα ως συνόλoυ Άλλα χαρακτηριστικά συmicroβατότητας που πρέπει να περιλαmicroβάνει

ένα βιοϋλικό προκειmicroένου να χρησιmicroοποιηθεί σε εmicroφυτεύmicroατα είναι επαρκείς microηχανικές

ιδιότητες όπως αντοχή ακαmicroψία και ιδιότητες κοπώσεως Επίσης οπτικές ιδιότητες αν

το υλικό πρόκειται να χρησιmicroοποιηθεί στον οφθαλmicroό στο δέρmicroα στα δόντια καθώς

επίσης και κατάλληλη πυκνότητα

Όσο οι ιατρικές επιστήmicroες προόδευαν και σε συνδυασmicroό microε την πρόοδο των

αντιβιοτικών οι microεταδιδόmicroενες ασθένειες έγιναν πολύ microικρότερη απειλή για την υγεία

Εξαιτίας της αύξησης του microέσου όρου ζωής οι κληρονοmicroικές ασθένειες αυξήθηκαν

κυρίως στην τρίτη ηλικία Όλο και περισσότερα όργανα αρθρώσεις και άλλα ζωτικά

microέρη του ανθρώπινου οργανισmicroού φθείρονται και πρέπει να αντικατασταθούν

προκειmicroένου να διατηρηθεί η καλή ποιότητα ζωής Στις microέρες microας τα βιοϋλικά παίζουν

κυρίαρχο ρόλο στην αντικατάσταση ή τη βελτίωση της λειτουργίας κάθε ζωτικού

συστήmicroατος και οργανισmicroού (σκελετός κυκλοφορία νευρικό σύστηmicroα κλπ) Κάποια

κοινά ενθέmicroατα είναι ορθοπεδικές συσκευές όπως ολικά υποκατάστατα γονάτων και

ισχιακοί σύνδεσmicroοι σπονδυλικά ενθέmicroατα και ενθέmicroατα που συγκρατούν οστά που έχουν

υποστεί κάταγmicroα καρδιακά ενθέmicroατα όπως τεχνητές καρδιακές βαλβίδες και

βηmicroατοδότες ενθέmicroατα microαλακών ιστών όπως ενθέmicroατα στήθους και ενέσιmicroο κολλαγόνο

για τη διόγκωση microαλακών ιστών οδοντικά ενθέmicroατα για αντικατάσταση συστηmicroάτων

δοντιών ριζών και οστέινων ιστών της ακουστικής κοιλότητας

Metals Ceramics Polymers

316L ανοξείδωτος Χάλυβας

Co-Cr κράmicroατα

τιτάνιο

Ti6Al4V

Αλούmicroινα

Ζιρκονία

Ανθρακας

Υδροξυαπατίτης

Πολυαιθυλένιο υπερ-υψηλού ΜΒ

Πολυουρεθάνη

Πίνακας 1 Μερικά αποδεκτά βιοϋλικά

22 ΚΚΑΑΤΤΗΗΓΓΟΟΡΡΙΙΟΟΠΠΟΟΙΙΗΗΣΣΗΗ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

Όταν ένα συνθετικό υλικό τοποθετείται microέσα στο ανθρώπινο σώmicroα ο ιστός αντιδρά

απέναντι στο microόσχευmicroα microε ποικίλους τρόπους ανάλογα microε τον τύπο του υλικού Ο

microηχανισmicroός της αλληλεπίδρασης του ιστού microε το υλικό (αν υπάρχει) εξαρτάται από την

4

αντίδρασή του ιστού στην επιφάνεια του microοσχεύmicroατος Γενικά τα βιοϊατρικά υλικά

microπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα microε την απόκριση του ιστού Αυτές

είναι

Βιοαδρανή (bioinert) ο όρος αυτός αναφέρεται σε οποιοδήποτε υλικό που όταν

τοποθετηθεί microέσα στον ανθρώπινο οργανισmicroό έχει ελάχιστη αλληλεπίδραση microε

τον περιβάλλοντα ιστό Παραδείγmicroατα βιοαδρανών υλικών είναι οι ανοξείδωτοι

χάλυβες το τιτάνιο η αλουmicroίνα η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία και το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο

Βιοενεργά (bioactive) η βιοενεργότητα αναφέρεται σε υλικά τα οποία όταν

τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα αλληλεπιδρούν microε τα περιβάλλοντα οστά και

σε microερικές περιπτώσεις ακόmicroα και microε τους microαλακούς ιστούς Αυτό εmicroφανίζεται

microέσω microιας χρονικά εξαρτηmicroένης κινητικής τροποποίησης της επιφάνειας που

προκαλείται από την εmicroφύτευσή τους microέσα στο οστό Μια αντίδραση

ιονεναλλαγής microεταξύ του βιοενεργού ενθέmicroατος και των υγρών του σώmicroατος που

το περιβάλλουν έχει σαν αποτέλεσmicroα το σχηmicroατισmicroό microιας στοιβάδας ενεργού

ανθρακικού απατίτη (CHAp) πάνω στο microόσχευmicroα η οποία είναι χηmicroικά και

κρυσταλλογραφικά ισοδύναmicroη microε τη microεταλλική φάση του οστού Παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι συνθετικοί υδρόξυαπατίτες [Ca10(PO4)6(OH)2] γυαλιά και

κεραmicroικά Παρόλο που τα υλικά αυτά θεωρούνταν ότι θα έδιναν την απάντηση

προβλήmicroατα επισκευής των βιοϊατρικών ενθεmicroάτων στην πραγmicroατικότητα δεν

χρησιmicroοποιούνται ως ορθοπεδικά ενθέmicroατα και παράλληλα η χρήση τους στην

οδοντιατρική είναι περιορισmicroένη καθώς έχουν microικρή αντίσταση

στη διάβρωση microε ρωγmicroές

Βιοαπορροφήσιmicroα (bioresorbable) ο όρος αναφέρεται σε υλικά που microετά την

τοποθέτησή τους στον οργανισmicroό διαλύονται (απορροφώνται) και σταδιακά

αντικαθίστανται από αυξανόmicroενο ιστό (όπως οστέινο) Κοινά παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι το [Ca3(PO4)2] και κάποια συmicroπολυmicroερή πολύγλυκολικού

και πολυγαλακτικού οξέος

5

Γενικότερα τα microέταλλα είναι συνήθως αδρανή τα κεραmicroικά microπορεί να είναι

αδρανή ενεργά ή απορροφούmicroενα και τα πολυmicroερή microπορεί να είναι αδρανή ή

απορροφούmicroενα

33 ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΕΕΣΣ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

31 Ορθοπεδικές εφαρmicroογές

Σε περιπτώσεις οστεοπόρωσης οστεοαρθρίτιδας και ρευmicroατοειδούς αρθρίτιδας

όπου δεν επιτυγχάνεται βελτίωση microε φυσιοθεραπείες ή χειρουργικές επεmicroβάσεις

συνιστάται η αντικατάσταση των καταστραmicromicroένων συνδέσmicroων microε κάποια τεχνητή

συσκευή

Για τέτοιου είδους εφαρmicroογές χρησιmicroοποιούνται κυρίως microεταλλικά κεραmicroικά και

πολυmicroερή βιοϋλικά Τα διάφορα microέταλλα χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

microεταλλικών πιάτων και καρφιτσών για αντικαταστάσεις συνδέσmicroων ισχίου γονάτου

ώmicroου κλπ καθώς και υποστηρικτών ισχίου Κεραmicroικά βιοϋλικά όπως αλουmicroίνα και

ζιρκονία χρησιmicroοποιούνται για αντικαταστάσεις αρθρώσεων που έχουν υποστεί φθορά

ενώ ο υδρόξυαπατίτης χρησιmicroοποιείται για σύνδεση οστών Τα πολυmicroερή όπως το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) χρησιmicroοποιούνται για την

κατασκευή επιφανειών στήριξης των κεραmicroικών ενθεmicroάτων στις αντικαταστάσεις

συνδέσmicroων Η πορώδης αλουmicroίνα βρίσκει εφαρmicroογή στην αντικατάσταση microεγάλων

κοmicromicroατιών των οστών που έχουν αφαιρεθεί από τον οργανισmicroό λόγω κάποιας ασθένειας

Ένα από τα σηmicroαντικότερα προβλήmicroατα που παρουσιάζουν τα ορθοπεδικά

ενθέmicroατα είναι καθαρά υλικής φύσεως η φθορά κυρίως της πολυmicroερούς κοιλότητας σε

περιπτώσεις ολικής αντικαταστάσεως άρθρωσης Η φθορά αυτή microπορεί να εξελιχθεί σε

βιολογική καταστροφή για το ανθρώπινο σώmicroα καθώς λόγω των σηmicroαντικών κοπώσεων

που εmicroφανίζονται στη διεπιφάνεια σφαίρας ndash υποδοχέα δηmicroιουργούνται δισεκατοmicromicroύρια

microικροσκοπικά θραύσmicroατα του υλικού Τα θραύσmicroατα αυτά εξαπλώνονται στους

γειτονικούς ιστούς και τα υγρά της άρθρωσης και ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό

σύστηmicroα Ο οργανισmicroός απελευθερώνει διάφορα ένζυmicroα τα οποία καταστρέφουν τα

κύτταρα των γειτονικών οστών και προκαλούν οστεόλυση

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

2

11 ΕΕΙΙΣΣΑΑΓΓΩΩΓΓΗΗ

Πριν από περίπου 4000 χρόνια οι αρχαίοι Αιγύπτιοι χρησιmicroοποίησαν λινά ράmicromicroατα

(προερχόmicroενα από αντίστοιχο φυτό) microε φυσικά microέσα προσφύσεως (adhesives) για να

συγκρατούν τις άκρες της πληγής ώστε να επιτυγχάνεται κατάλληλη θεραπεία και

διατήρηση της αρχικής αντοχής του δέρmicroατος Παροmicroοίως χρησιmicroοποιήθησαν βαmicroβάκι

τρίχες ζώων και λεπτά δέρmicroατα από τους Ινδιάνους Αργότερα (πχ τον 20 και 110

αιώνα) χρησιmicroοποιούντο ράmicroατα από microετάξι και από έντερα γάτας κατά την διαδικασία

για το κλείσιmicroο των πληγών Κατά την διάρκεια του 190υ και 200υ αιώνα τα ράmicroατα

αποτελούν microία βασική microορφή χρήσιmicroων ιατρικών προιόντων

Τα τελευταία 90 χρόνια τα τεχνητά υλικά και συσκευές έχουν αναπτυχθεί τόσο

ώστε να microπορούν να αντικαθιστούν επιτυχώς ζωτικά microέρη του ανθρώπινου σώmicroατος

Αυτά τα ειδικά υλικά ndash ικανά να λειτουργούν σε άmicroεση επαφή microε ζωτικούς ιστούς microε

ελάχιστες ανεπιθύmicroητες παρενέργειες ή κίνδυνο απόρριψης από τον οργανισmicroό ndash

ονοmicroάζονται βιοϋλικά Συσκευές κατασκευασmicroένες από βιοϋλικά και σχεδιασmicroένες να

πραγmicroατοποιούν συγκεκριmicroένες λειτουργίες στον οργανισmicroό αναφέρονται ως βιοϊατρικές

συσκευές ή ενθέmicroατα

Τα πρώτα επιτυχηmicroένα ενθέmicroατα ήταν οστέινοι δίσκοι οι οποίοι παρουσιάστηκαν

στις αρχές του 1900 microε σκοπό να σταθεροποιήσουν κατάγmicroατα των οστών και να

επιταχύνουν την ίασή τους Πρόοδος των υλικών και των χειρουργικών τεχνικών

οδήγησε σε πειράmicroατα για την αντικατάσταση αιmicroοφόρων αγγείων το 1950 ενώ η

αντικατάσταση καρδιακών βαλβίδων και ισχιακών συνδέσmicroων ήταν υπό microελέτη στις

αρχές της δεκαετίας του 1960 Ταυτόχρονα microε την κατασκευή των πρώτων οστέινων

ενθεmicroάτων οι χειρούργοι διαπίστωσαν υλικά και κατασκευαστικά προβλήmicroατα που είχαν

σαν αποτέλεσmicroα την πρόωρη απώλεια λειτουργίας των ενθεmicroάτων όπως αναmicroένεται από

τη microηχανική αποτυχία διάβρωση και ελλιπή βιοσυmicroβατότητα Ο σχεδιασmicroός η επιλογή

των υλικών και η βιοσυmicroβατότητα παραmicroένουν τα τρία βασικότερα κριτήρια για την

κατασκευή βιοϊατρικών ενθεmicroάτων και συσκευών

Ένα είδος αστοχίας που microπορεί να συmicroβαίνει σε ένα βιοϋλικό είναι η προσβολή του

από το ανοσοποιητικό σύστηmicroα Ένα άλλο είδoς αστoχίας είναι η ανεπιθύmicroητη επίδραση

του εmicroφυτεύmicroατoς πάνω στo σώmicroα πχ η τοξικότητά του συmicroπεριλαmicroβανomicroένων των

αλλεργικών αvτιδράσεων ή την πρόκληση του καρκίνου Η βιοσυmicroβατότητα περιλαmicro-

βάνει την αποδοχή ενός τεχνητού εmicroφυτεύmicroατος από τους περιβάλλοντες ιστούς και από

3

το σώmicroα ως συνόλoυ Άλλα χαρακτηριστικά συmicroβατότητας που πρέπει να περιλαmicroβάνει

ένα βιοϋλικό προκειmicroένου να χρησιmicroοποιηθεί σε εmicroφυτεύmicroατα είναι επαρκείς microηχανικές

ιδιότητες όπως αντοχή ακαmicroψία και ιδιότητες κοπώσεως Επίσης οπτικές ιδιότητες αν

το υλικό πρόκειται να χρησιmicroοποιηθεί στον οφθαλmicroό στο δέρmicroα στα δόντια καθώς

επίσης και κατάλληλη πυκνότητα

Όσο οι ιατρικές επιστήmicroες προόδευαν και σε συνδυασmicroό microε την πρόοδο των

αντιβιοτικών οι microεταδιδόmicroενες ασθένειες έγιναν πολύ microικρότερη απειλή για την υγεία

Εξαιτίας της αύξησης του microέσου όρου ζωής οι κληρονοmicroικές ασθένειες αυξήθηκαν

κυρίως στην τρίτη ηλικία Όλο και περισσότερα όργανα αρθρώσεις και άλλα ζωτικά

microέρη του ανθρώπινου οργανισmicroού φθείρονται και πρέπει να αντικατασταθούν

προκειmicroένου να διατηρηθεί η καλή ποιότητα ζωής Στις microέρες microας τα βιοϋλικά παίζουν

κυρίαρχο ρόλο στην αντικατάσταση ή τη βελτίωση της λειτουργίας κάθε ζωτικού

συστήmicroατος και οργανισmicroού (σκελετός κυκλοφορία νευρικό σύστηmicroα κλπ) Κάποια

κοινά ενθέmicroατα είναι ορθοπεδικές συσκευές όπως ολικά υποκατάστατα γονάτων και

ισχιακοί σύνδεσmicroοι σπονδυλικά ενθέmicroατα και ενθέmicroατα που συγκρατούν οστά που έχουν

υποστεί κάταγmicroα καρδιακά ενθέmicroατα όπως τεχνητές καρδιακές βαλβίδες και

βηmicroατοδότες ενθέmicroατα microαλακών ιστών όπως ενθέmicroατα στήθους και ενέσιmicroο κολλαγόνο

για τη διόγκωση microαλακών ιστών οδοντικά ενθέmicroατα για αντικατάσταση συστηmicroάτων

δοντιών ριζών και οστέινων ιστών της ακουστικής κοιλότητας

Metals Ceramics Polymers

316L ανοξείδωτος Χάλυβας

Co-Cr κράmicroατα

τιτάνιο

Ti6Al4V

Αλούmicroινα

Ζιρκονία

Ανθρακας

Υδροξυαπατίτης

Πολυαιθυλένιο υπερ-υψηλού ΜΒ

Πολυουρεθάνη

Πίνακας 1 Μερικά αποδεκτά βιοϋλικά

22 ΚΚΑΑΤΤΗΗΓΓΟΟΡΡΙΙΟΟΠΠΟΟΙΙΗΗΣΣΗΗ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

Όταν ένα συνθετικό υλικό τοποθετείται microέσα στο ανθρώπινο σώmicroα ο ιστός αντιδρά

απέναντι στο microόσχευmicroα microε ποικίλους τρόπους ανάλογα microε τον τύπο του υλικού Ο

microηχανισmicroός της αλληλεπίδρασης του ιστού microε το υλικό (αν υπάρχει) εξαρτάται από την

4

αντίδρασή του ιστού στην επιφάνεια του microοσχεύmicroατος Γενικά τα βιοϊατρικά υλικά

microπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα microε την απόκριση του ιστού Αυτές

είναι

Βιοαδρανή (bioinert) ο όρος αυτός αναφέρεται σε οποιοδήποτε υλικό που όταν

τοποθετηθεί microέσα στον ανθρώπινο οργανισmicroό έχει ελάχιστη αλληλεπίδραση microε

τον περιβάλλοντα ιστό Παραδείγmicroατα βιοαδρανών υλικών είναι οι ανοξείδωτοι

χάλυβες το τιτάνιο η αλουmicroίνα η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία και το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο

Βιοενεργά (bioactive) η βιοενεργότητα αναφέρεται σε υλικά τα οποία όταν

τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα αλληλεπιδρούν microε τα περιβάλλοντα οστά και

σε microερικές περιπτώσεις ακόmicroα και microε τους microαλακούς ιστούς Αυτό εmicroφανίζεται

microέσω microιας χρονικά εξαρτηmicroένης κινητικής τροποποίησης της επιφάνειας που

προκαλείται από την εmicroφύτευσή τους microέσα στο οστό Μια αντίδραση

ιονεναλλαγής microεταξύ του βιοενεργού ενθέmicroατος και των υγρών του σώmicroατος που

το περιβάλλουν έχει σαν αποτέλεσmicroα το σχηmicroατισmicroό microιας στοιβάδας ενεργού

ανθρακικού απατίτη (CHAp) πάνω στο microόσχευmicroα η οποία είναι χηmicroικά και

κρυσταλλογραφικά ισοδύναmicroη microε τη microεταλλική φάση του οστού Παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι συνθετικοί υδρόξυαπατίτες [Ca10(PO4)6(OH)2] γυαλιά και

κεραmicroικά Παρόλο που τα υλικά αυτά θεωρούνταν ότι θα έδιναν την απάντηση

προβλήmicroατα επισκευής των βιοϊατρικών ενθεmicroάτων στην πραγmicroατικότητα δεν

χρησιmicroοποιούνται ως ορθοπεδικά ενθέmicroατα και παράλληλα η χρήση τους στην

οδοντιατρική είναι περιορισmicroένη καθώς έχουν microικρή αντίσταση

στη διάβρωση microε ρωγmicroές

Βιοαπορροφήσιmicroα (bioresorbable) ο όρος αναφέρεται σε υλικά που microετά την

τοποθέτησή τους στον οργανισmicroό διαλύονται (απορροφώνται) και σταδιακά

αντικαθίστανται από αυξανόmicroενο ιστό (όπως οστέινο) Κοινά παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι το [Ca3(PO4)2] και κάποια συmicroπολυmicroερή πολύγλυκολικού

και πολυγαλακτικού οξέος

5

Γενικότερα τα microέταλλα είναι συνήθως αδρανή τα κεραmicroικά microπορεί να είναι

αδρανή ενεργά ή απορροφούmicroενα και τα πολυmicroερή microπορεί να είναι αδρανή ή

απορροφούmicroενα

33 ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΕΕΣΣ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

31 Ορθοπεδικές εφαρmicroογές

Σε περιπτώσεις οστεοπόρωσης οστεοαρθρίτιδας και ρευmicroατοειδούς αρθρίτιδας

όπου δεν επιτυγχάνεται βελτίωση microε φυσιοθεραπείες ή χειρουργικές επεmicroβάσεις

συνιστάται η αντικατάσταση των καταστραmicromicroένων συνδέσmicroων microε κάποια τεχνητή

συσκευή

Για τέτοιου είδους εφαρmicroογές χρησιmicroοποιούνται κυρίως microεταλλικά κεραmicroικά και

πολυmicroερή βιοϋλικά Τα διάφορα microέταλλα χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

microεταλλικών πιάτων και καρφιτσών για αντικαταστάσεις συνδέσmicroων ισχίου γονάτου

ώmicroου κλπ καθώς και υποστηρικτών ισχίου Κεραmicroικά βιοϋλικά όπως αλουmicroίνα και

ζιρκονία χρησιmicroοποιούνται για αντικαταστάσεις αρθρώσεων που έχουν υποστεί φθορά

ενώ ο υδρόξυαπατίτης χρησιmicroοποιείται για σύνδεση οστών Τα πολυmicroερή όπως το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) χρησιmicroοποιούνται για την

κατασκευή επιφανειών στήριξης των κεραmicroικών ενθεmicroάτων στις αντικαταστάσεις

συνδέσmicroων Η πορώδης αλουmicroίνα βρίσκει εφαρmicroογή στην αντικατάσταση microεγάλων

κοmicromicroατιών των οστών που έχουν αφαιρεθεί από τον οργανισmicroό λόγω κάποιας ασθένειας

Ένα από τα σηmicroαντικότερα προβλήmicroατα που παρουσιάζουν τα ορθοπεδικά

ενθέmicroατα είναι καθαρά υλικής φύσεως η φθορά κυρίως της πολυmicroερούς κοιλότητας σε

περιπτώσεις ολικής αντικαταστάσεως άρθρωσης Η φθορά αυτή microπορεί να εξελιχθεί σε

βιολογική καταστροφή για το ανθρώπινο σώmicroα καθώς λόγω των σηmicroαντικών κοπώσεων

που εmicroφανίζονται στη διεπιφάνεια σφαίρας ndash υποδοχέα δηmicroιουργούνται δισεκατοmicromicroύρια

microικροσκοπικά θραύσmicroατα του υλικού Τα θραύσmicroατα αυτά εξαπλώνονται στους

γειτονικούς ιστούς και τα υγρά της άρθρωσης και ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό

σύστηmicroα Ο οργανισmicroός απελευθερώνει διάφορα ένζυmicroα τα οποία καταστρέφουν τα

κύτταρα των γειτονικών οστών και προκαλούν οστεόλυση

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

3

το σώmicroα ως συνόλoυ Άλλα χαρακτηριστικά συmicroβατότητας που πρέπει να περιλαmicroβάνει

ένα βιοϋλικό προκειmicroένου να χρησιmicroοποιηθεί σε εmicroφυτεύmicroατα είναι επαρκείς microηχανικές

ιδιότητες όπως αντοχή ακαmicroψία και ιδιότητες κοπώσεως Επίσης οπτικές ιδιότητες αν

το υλικό πρόκειται να χρησιmicroοποιηθεί στον οφθαλmicroό στο δέρmicroα στα δόντια καθώς

επίσης και κατάλληλη πυκνότητα

Όσο οι ιατρικές επιστήmicroες προόδευαν και σε συνδυασmicroό microε την πρόοδο των

αντιβιοτικών οι microεταδιδόmicroενες ασθένειες έγιναν πολύ microικρότερη απειλή για την υγεία

Εξαιτίας της αύξησης του microέσου όρου ζωής οι κληρονοmicroικές ασθένειες αυξήθηκαν

κυρίως στην τρίτη ηλικία Όλο και περισσότερα όργανα αρθρώσεις και άλλα ζωτικά

microέρη του ανθρώπινου οργανισmicroού φθείρονται και πρέπει να αντικατασταθούν

προκειmicroένου να διατηρηθεί η καλή ποιότητα ζωής Στις microέρες microας τα βιοϋλικά παίζουν

κυρίαρχο ρόλο στην αντικατάσταση ή τη βελτίωση της λειτουργίας κάθε ζωτικού

συστήmicroατος και οργανισmicroού (σκελετός κυκλοφορία νευρικό σύστηmicroα κλπ) Κάποια

κοινά ενθέmicroατα είναι ορθοπεδικές συσκευές όπως ολικά υποκατάστατα γονάτων και

ισχιακοί σύνδεσmicroοι σπονδυλικά ενθέmicroατα και ενθέmicroατα που συγκρατούν οστά που έχουν

υποστεί κάταγmicroα καρδιακά ενθέmicroατα όπως τεχνητές καρδιακές βαλβίδες και

βηmicroατοδότες ενθέmicroατα microαλακών ιστών όπως ενθέmicroατα στήθους και ενέσιmicroο κολλαγόνο

για τη διόγκωση microαλακών ιστών οδοντικά ενθέmicroατα για αντικατάσταση συστηmicroάτων

δοντιών ριζών και οστέινων ιστών της ακουστικής κοιλότητας

Metals Ceramics Polymers

316L ανοξείδωτος Χάλυβας

Co-Cr κράmicroατα

τιτάνιο

Ti6Al4V

Αλούmicroινα

Ζιρκονία

Ανθρακας

Υδροξυαπατίτης

Πολυαιθυλένιο υπερ-υψηλού ΜΒ

Πολυουρεθάνη

Πίνακας 1 Μερικά αποδεκτά βιοϋλικά

22 ΚΚΑΑΤΤΗΗΓΓΟΟΡΡΙΙΟΟΠΠΟΟΙΙΗΗΣΣΗΗ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

Όταν ένα συνθετικό υλικό τοποθετείται microέσα στο ανθρώπινο σώmicroα ο ιστός αντιδρά

απέναντι στο microόσχευmicroα microε ποικίλους τρόπους ανάλογα microε τον τύπο του υλικού Ο

microηχανισmicroός της αλληλεπίδρασης του ιστού microε το υλικό (αν υπάρχει) εξαρτάται από την

4

αντίδρασή του ιστού στην επιφάνεια του microοσχεύmicroατος Γενικά τα βιοϊατρικά υλικά

microπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα microε την απόκριση του ιστού Αυτές

είναι

Βιοαδρανή (bioinert) ο όρος αυτός αναφέρεται σε οποιοδήποτε υλικό που όταν

τοποθετηθεί microέσα στον ανθρώπινο οργανισmicroό έχει ελάχιστη αλληλεπίδραση microε

τον περιβάλλοντα ιστό Παραδείγmicroατα βιοαδρανών υλικών είναι οι ανοξείδωτοι

χάλυβες το τιτάνιο η αλουmicroίνα η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία και το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο

Βιοενεργά (bioactive) η βιοενεργότητα αναφέρεται σε υλικά τα οποία όταν

τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα αλληλεπιδρούν microε τα περιβάλλοντα οστά και

σε microερικές περιπτώσεις ακόmicroα και microε τους microαλακούς ιστούς Αυτό εmicroφανίζεται

microέσω microιας χρονικά εξαρτηmicroένης κινητικής τροποποίησης της επιφάνειας που

προκαλείται από την εmicroφύτευσή τους microέσα στο οστό Μια αντίδραση

ιονεναλλαγής microεταξύ του βιοενεργού ενθέmicroατος και των υγρών του σώmicroατος που

το περιβάλλουν έχει σαν αποτέλεσmicroα το σχηmicroατισmicroό microιας στοιβάδας ενεργού

ανθρακικού απατίτη (CHAp) πάνω στο microόσχευmicroα η οποία είναι χηmicroικά και

κρυσταλλογραφικά ισοδύναmicroη microε τη microεταλλική φάση του οστού Παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι συνθετικοί υδρόξυαπατίτες [Ca10(PO4)6(OH)2] γυαλιά και

κεραmicroικά Παρόλο που τα υλικά αυτά θεωρούνταν ότι θα έδιναν την απάντηση

προβλήmicroατα επισκευής των βιοϊατρικών ενθεmicroάτων στην πραγmicroατικότητα δεν

χρησιmicroοποιούνται ως ορθοπεδικά ενθέmicroατα και παράλληλα η χρήση τους στην

οδοντιατρική είναι περιορισmicroένη καθώς έχουν microικρή αντίσταση

στη διάβρωση microε ρωγmicroές

Βιοαπορροφήσιmicroα (bioresorbable) ο όρος αναφέρεται σε υλικά που microετά την

τοποθέτησή τους στον οργανισmicroό διαλύονται (απορροφώνται) και σταδιακά

αντικαθίστανται από αυξανόmicroενο ιστό (όπως οστέινο) Κοινά παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι το [Ca3(PO4)2] και κάποια συmicroπολυmicroερή πολύγλυκολικού

και πολυγαλακτικού οξέος

5

Γενικότερα τα microέταλλα είναι συνήθως αδρανή τα κεραmicroικά microπορεί να είναι

αδρανή ενεργά ή απορροφούmicroενα και τα πολυmicroερή microπορεί να είναι αδρανή ή

απορροφούmicroενα

33 ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΕΕΣΣ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

31 Ορθοπεδικές εφαρmicroογές

Σε περιπτώσεις οστεοπόρωσης οστεοαρθρίτιδας και ρευmicroατοειδούς αρθρίτιδας

όπου δεν επιτυγχάνεται βελτίωση microε φυσιοθεραπείες ή χειρουργικές επεmicroβάσεις

συνιστάται η αντικατάσταση των καταστραmicromicroένων συνδέσmicroων microε κάποια τεχνητή

συσκευή

Για τέτοιου είδους εφαρmicroογές χρησιmicroοποιούνται κυρίως microεταλλικά κεραmicroικά και

πολυmicroερή βιοϋλικά Τα διάφορα microέταλλα χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

microεταλλικών πιάτων και καρφιτσών για αντικαταστάσεις συνδέσmicroων ισχίου γονάτου

ώmicroου κλπ καθώς και υποστηρικτών ισχίου Κεραmicroικά βιοϋλικά όπως αλουmicroίνα και

ζιρκονία χρησιmicroοποιούνται για αντικαταστάσεις αρθρώσεων που έχουν υποστεί φθορά

ενώ ο υδρόξυαπατίτης χρησιmicroοποιείται για σύνδεση οστών Τα πολυmicroερή όπως το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) χρησιmicroοποιούνται για την

κατασκευή επιφανειών στήριξης των κεραmicroικών ενθεmicroάτων στις αντικαταστάσεις

συνδέσmicroων Η πορώδης αλουmicroίνα βρίσκει εφαρmicroογή στην αντικατάσταση microεγάλων

κοmicromicroατιών των οστών που έχουν αφαιρεθεί από τον οργανισmicroό λόγω κάποιας ασθένειας

Ένα από τα σηmicroαντικότερα προβλήmicroατα που παρουσιάζουν τα ορθοπεδικά

ενθέmicroατα είναι καθαρά υλικής φύσεως η φθορά κυρίως της πολυmicroερούς κοιλότητας σε

περιπτώσεις ολικής αντικαταστάσεως άρθρωσης Η φθορά αυτή microπορεί να εξελιχθεί σε

βιολογική καταστροφή για το ανθρώπινο σώmicroα καθώς λόγω των σηmicroαντικών κοπώσεων

που εmicroφανίζονται στη διεπιφάνεια σφαίρας ndash υποδοχέα δηmicroιουργούνται δισεκατοmicromicroύρια

microικροσκοπικά θραύσmicroατα του υλικού Τα θραύσmicroατα αυτά εξαπλώνονται στους

γειτονικούς ιστούς και τα υγρά της άρθρωσης και ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό

σύστηmicroα Ο οργανισmicroός απελευθερώνει διάφορα ένζυmicroα τα οποία καταστρέφουν τα

κύτταρα των γειτονικών οστών και προκαλούν οστεόλυση

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

4

αντίδρασή του ιστού στην επιφάνεια του microοσχεύmicroατος Γενικά τα βιοϊατρικά υλικά

microπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα microε την απόκριση του ιστού Αυτές

είναι

Βιοαδρανή (bioinert) ο όρος αυτός αναφέρεται σε οποιοδήποτε υλικό που όταν

τοποθετηθεί microέσα στον ανθρώπινο οργανισmicroό έχει ελάχιστη αλληλεπίδραση microε

τον περιβάλλοντα ιστό Παραδείγmicroατα βιοαδρανών υλικών είναι οι ανοξείδωτοι

χάλυβες το τιτάνιο η αλουmicroίνα η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία και το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο

Βιοενεργά (bioactive) η βιοενεργότητα αναφέρεται σε υλικά τα οποία όταν

τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα αλληλεπιδρούν microε τα περιβάλλοντα οστά και

σε microερικές περιπτώσεις ακόmicroα και microε τους microαλακούς ιστούς Αυτό εmicroφανίζεται

microέσω microιας χρονικά εξαρτηmicroένης κινητικής τροποποίησης της επιφάνειας που

προκαλείται από την εmicroφύτευσή τους microέσα στο οστό Μια αντίδραση

ιονεναλλαγής microεταξύ του βιοενεργού ενθέmicroατος και των υγρών του σώmicroατος που

το περιβάλλουν έχει σαν αποτέλεσmicroα το σχηmicroατισmicroό microιας στοιβάδας ενεργού

ανθρακικού απατίτη (CHAp) πάνω στο microόσχευmicroα η οποία είναι χηmicroικά και

κρυσταλλογραφικά ισοδύναmicroη microε τη microεταλλική φάση του οστού Παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι συνθετικοί υδρόξυαπατίτες [Ca10(PO4)6(OH)2] γυαλιά και

κεραmicroικά Παρόλο που τα υλικά αυτά θεωρούνταν ότι θα έδιναν την απάντηση

προβλήmicroατα επισκευής των βιοϊατρικών ενθεmicroάτων στην πραγmicroατικότητα δεν

χρησιmicroοποιούνται ως ορθοπεδικά ενθέmicroατα και παράλληλα η χρήση τους στην

οδοντιατρική είναι περιορισmicroένη καθώς έχουν microικρή αντίσταση

στη διάβρωση microε ρωγmicroές

Βιοαπορροφήσιmicroα (bioresorbable) ο όρος αναφέρεται σε υλικά που microετά την

τοποθέτησή τους στον οργανισmicroό διαλύονται (απορροφώνται) και σταδιακά

αντικαθίστανται από αυξανόmicroενο ιστό (όπως οστέινο) Κοινά παραδείγmicroατα

τέτοιων υλικών είναι το [Ca3(PO4)2] και κάποια συmicroπολυmicroερή πολύγλυκολικού

και πολυγαλακτικού οξέος

5

Γενικότερα τα microέταλλα είναι συνήθως αδρανή τα κεραmicroικά microπορεί να είναι

αδρανή ενεργά ή απορροφούmicroενα και τα πολυmicroερή microπορεί να είναι αδρανή ή

απορροφούmicroενα

33 ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΕΕΣΣ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

31 Ορθοπεδικές εφαρmicroογές

Σε περιπτώσεις οστεοπόρωσης οστεοαρθρίτιδας και ρευmicroατοειδούς αρθρίτιδας

όπου δεν επιτυγχάνεται βελτίωση microε φυσιοθεραπείες ή χειρουργικές επεmicroβάσεις

συνιστάται η αντικατάσταση των καταστραmicromicroένων συνδέσmicroων microε κάποια τεχνητή

συσκευή

Για τέτοιου είδους εφαρmicroογές χρησιmicroοποιούνται κυρίως microεταλλικά κεραmicroικά και

πολυmicroερή βιοϋλικά Τα διάφορα microέταλλα χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

microεταλλικών πιάτων και καρφιτσών για αντικαταστάσεις συνδέσmicroων ισχίου γονάτου

ώmicroου κλπ καθώς και υποστηρικτών ισχίου Κεραmicroικά βιοϋλικά όπως αλουmicroίνα και

ζιρκονία χρησιmicroοποιούνται για αντικαταστάσεις αρθρώσεων που έχουν υποστεί φθορά

ενώ ο υδρόξυαπατίτης χρησιmicroοποιείται για σύνδεση οστών Τα πολυmicroερή όπως το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) χρησιmicroοποιούνται για την

κατασκευή επιφανειών στήριξης των κεραmicroικών ενθεmicroάτων στις αντικαταστάσεις

συνδέσmicroων Η πορώδης αλουmicroίνα βρίσκει εφαρmicroογή στην αντικατάσταση microεγάλων

κοmicromicroατιών των οστών που έχουν αφαιρεθεί από τον οργανισmicroό λόγω κάποιας ασθένειας

Ένα από τα σηmicroαντικότερα προβλήmicroατα που παρουσιάζουν τα ορθοπεδικά

ενθέmicroατα είναι καθαρά υλικής φύσεως η φθορά κυρίως της πολυmicroερούς κοιλότητας σε

περιπτώσεις ολικής αντικαταστάσεως άρθρωσης Η φθορά αυτή microπορεί να εξελιχθεί σε

βιολογική καταστροφή για το ανθρώπινο σώmicroα καθώς λόγω των σηmicroαντικών κοπώσεων

που εmicroφανίζονται στη διεπιφάνεια σφαίρας ndash υποδοχέα δηmicroιουργούνται δισεκατοmicromicroύρια

microικροσκοπικά θραύσmicroατα του υλικού Τα θραύσmicroατα αυτά εξαπλώνονται στους

γειτονικούς ιστούς και τα υγρά της άρθρωσης και ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό

σύστηmicroα Ο οργανισmicroός απελευθερώνει διάφορα ένζυmicroα τα οποία καταστρέφουν τα

κύτταρα των γειτονικών οστών και προκαλούν οστεόλυση

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

5

Γενικότερα τα microέταλλα είναι συνήθως αδρανή τα κεραmicroικά microπορεί να είναι

αδρανή ενεργά ή απορροφούmicroενα και τα πολυmicroερή microπορεί να είναι αδρανή ή

απορροφούmicroενα

33 ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΕΕΣΣ ΒΒΙΙΟΟΫΫΛΛΙΙΚΚΩΩΝΝ

31 Ορθοπεδικές εφαρmicroογές

Σε περιπτώσεις οστεοπόρωσης οστεοαρθρίτιδας και ρευmicroατοειδούς αρθρίτιδας

όπου δεν επιτυγχάνεται βελτίωση microε φυσιοθεραπείες ή χειρουργικές επεmicroβάσεις

συνιστάται η αντικατάσταση των καταστραmicromicroένων συνδέσmicroων microε κάποια τεχνητή

συσκευή

Για τέτοιου είδους εφαρmicroογές χρησιmicroοποιούνται κυρίως microεταλλικά κεραmicroικά και

πολυmicroερή βιοϋλικά Τα διάφορα microέταλλα χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

microεταλλικών πιάτων και καρφιτσών για αντικαταστάσεις συνδέσmicroων ισχίου γονάτου

ώmicroου κλπ καθώς και υποστηρικτών ισχίου Κεραmicroικά βιοϋλικά όπως αλουmicroίνα και

ζιρκονία χρησιmicroοποιούνται για αντικαταστάσεις αρθρώσεων που έχουν υποστεί φθορά

ενώ ο υδρόξυαπατίτης χρησιmicroοποιείται για σύνδεση οστών Τα πολυmicroερή όπως το

υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) χρησιmicroοποιούνται για την

κατασκευή επιφανειών στήριξης των κεραmicroικών ενθεmicroάτων στις αντικαταστάσεις

συνδέσmicroων Η πορώδης αλουmicroίνα βρίσκει εφαρmicroογή στην αντικατάσταση microεγάλων

κοmicromicroατιών των οστών που έχουν αφαιρεθεί από τον οργανισmicroό λόγω κάποιας ασθένειας

Ένα από τα σηmicroαντικότερα προβλήmicroατα που παρουσιάζουν τα ορθοπεδικά

ενθέmicroατα είναι καθαρά υλικής φύσεως η φθορά κυρίως της πολυmicroερούς κοιλότητας σε

περιπτώσεις ολικής αντικαταστάσεως άρθρωσης Η φθορά αυτή microπορεί να εξελιχθεί σε

βιολογική καταστροφή για το ανθρώπινο σώmicroα καθώς λόγω των σηmicroαντικών κοπώσεων

που εmicroφανίζονται στη διεπιφάνεια σφαίρας ndash υποδοχέα δηmicroιουργούνται δισεκατοmicromicroύρια

microικροσκοπικά θραύσmicroατα του υλικού Τα θραύσmicroατα αυτά εξαπλώνονται στους

γειτονικούς ιστούς και τα υγρά της άρθρωσης και ενεργοποιούν το ανοσοποιητικό

σύστηmicroα Ο οργανισmicroός απελευθερώνει διάφορα ένζυmicroα τα οποία καταστρέφουν τα

κύτταρα των γειτονικών οστών και προκαλούν οστεόλυση

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

6

Στο Σχήmicroα 1 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης γονάτου Ένα τέτοιο

ένθεmicroα περιλαmicroβάνει έναν κνηmicroιαίο δίσκο ο οποίος φέρει ένα κνηmicroιαίο πρόσθετο για

καλύτερη διαmicroόρφωση της επιφάνειας του δίσκου Το microηριαίο ένθεmicroα πρέπει να

εφαρmicroόζει καλά microε την επιφάνεια του δίσκου καθώς επίσης και microε την επιγονατίδα

Ανάλογα microε την κατάσταση της φυσικής επιγονατίδας είναι δυνατή η αντικατάστασή

της

Σχήmicroα 1 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

γονάτου

Στο Σχήmicroα 2 απεικονίζεται ένα ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης ισχίου του οποίου το

microηριαίο ένθεmicroα είναι κατασκευασmicroένο από κράmicroα τιτανίου (αριστερά) ενώ ο δίσκος

(δεξιά) είναι φτιαγmicroένο από υδροξυαπατίτη και εφαρmicroόζει πάνω στο microηριαίο οστό Η

άσπρη σφαίρα του microηριαίου ενθέmicroατος κατασκευασmicroένη από ζιρκονία εφαρmicroόζει στον

ισχιακό σύνδεσmicroο στα οστά της λεκάνης

Σχήmicroα 2 Ένθεmicroα ολικής αντικατάστασης

ισχίου

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

7

Ο microέσος όρος ζωής microιας ολικής αντικατάστασης συνδέσmicroου (γονάτου ή ισχίου)

είναι 10 ndash 15 χρόνια ή και λιγότερο Επειδή για την τοποθέτηση microιας τεχνητής άρθρωσης

απαιτείται αφαίρεση microέρους του οστού στη θέση που θα τοποθετηθεί το microόσχευmicroα microόνο

microία επέmicroβαση διόρθωσης του microοσχεύmicroατος είναι δυνατή

32 Οδοντιατρικές εφαρmicroογές

Από microεταλλικά βιοϋλικά και κυρίως από τιτάνιο κατασκευάζονται στηρίγmicroατα

τεχνητών οδοντοστοιχιών ή κοmicromicroάτια διαφόρων ορθοδοντικών συσκευών Τα κεραmicroικά

όπως η αλουmicroίνα και η οδοντική πορσελάνη χρησιmicroοποιούνται ευρέως σαν οδοντιατρικά

ενθέmicroατα ενώ ο υδρόξυαπατίτης βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή επικαλυmicromicroάτων για

microεταλλικά ενθέmicroατα και επίσης χρησιmicroοποιείται σαν πληρωτικό υλικό σε κενά των οστών

της στοmicroατικής κοιλότητας που έχουν δηmicroιουργηθεί από ασθένειες ή τραύmicroατα

Σχήmicroα 3 Οδοντικό ένθεmicroα από κράmicroα τιτανίου

33 Καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

Πολλά διαφορετικά βιοϋλικά χρησιmicroοποιούνται για καρδιαγγειακές εφαρmicroογές

ανάλογα microε το είδος και την κατασκευή που απαιτείται Χαρακτηριστικό παράδειγmicroα

αποτελεί η χρήση του άνθρακα στις καρδιακές βαλβίδες καθώς και των πολύουρεθανίων

και του τιτανίου που χρησιmicroοποιούνται στην κατασκευή βηmicroατοδοτών Από τιτάνιο

αποτελούνται και οι απινιδιωτές

Όσον αφορά στις καρδιακές βαλβίδες δύο είδη βιοϋλικών χρησιmicroοποιούνται

κυρίως

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

8

ldquomicroαλακάrdquo βιοπροσθετικά υλικά όπως microετουσιωmicroένες χοιρινές βαλβίδες

αορτής ή περικάρδια προερχόmicroενα από βοοειδή

ldquoσκληράrdquo τεχνητά υλικά τα οποία χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή

τεχνητών καρδιακών βαλβίδων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες εκδηλώνουν προβλήmicroατα όταν εmicroφυτεύονται

στον ανθρώπινο οργανισmicroό

Σχήmicroα 4 Απεικόνιση τεχνητής καρδιακής βαλβίδας

Οι βιοπροσθετικές καρδιακές βαλβίδες που χρησιmicroοποιούνται κυρίως σε παιδιά

συχνά αποτυγχάνουν λόγω αποτιτανίωσης (ασβέστιο από τη ροή του αίmicroατος

εναποτίθεται στο microόσχευmicroα) γεγονός που microπορεί να έχει σαν αποτέλεσmicroα microηχανική

δυσλειτουργία αγγειακή παρεmicroπόδιση ή θρόmicroβωση προκαλούmicroενη από αυξηmicroένη

εναπόθεση ασβεστίου Αυτού του είδους οι βαλβίδες είναι επίσης επιρρεπείς στη

microηχανική κόπωση καθώς η κυκλική τους κίνηση επιτρέπει τη δηmicroιουργία ρωγmicroών

γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική αποτυχία Γενικότερα το κυριότερο πρόβληmicroα microε

τις τεχνητές καρδιακές βαλβίδες είναι η θρόmicroβωση που microπορεί να εmicroφανιστεί ως

θροmicroβοεmicroβολισmicroός

34 Κρανιακές εφαρmicroογές και ενθέmicroατα σιαγόνας

Οι χειρουργικές επεmicroβάσεις για επισκευή της καταστροφής που microπορεί να έχουν

υποστεί τα οστά στις περιοχές αυτές microε χρήση ιστού του ασθενούς δεν έχουν πάντα τα

επιθυmicroητά αποτελέσmicroατα Μερικές φορές είναι απαραίτητη η χρήση τεχνητών microερών

προκειmicroένου να αποκατασταθεί η ικανότητα οmicroιλίας και σίτισης ή και για λόγους

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

9

αισθητικής αποκαθιστώντας τα χαρακτηριστικά του προσώπου που χάθηκαν από

καταστροφή ή ασθένεια Τα ενθέmicroατα τιτανίου πληρώντας όλες τις απαραίτητες

προϋποθέσεις χρησιmicroοποιούνται ευρέως για τη θεραπεία ασθενών που αντιmicroετωπίζουν

ανάλογα προβλήmicroατα

Έχει επίσης ανακαλυφθεί ένα βιοδιασπώmicroενο πλαστικό για την επιδιόρθωση

τρυπών στο κρανίο οι οποίες είναι συχνά απαραίτητο να ανοιχθούν κατά τη διάρκεια

microιας χειρουργικής επέmicroβασης Το υλικό αυτό ονοmicroάζεται Burr Plug και είναι

κατασκευασmicroένο από πολυκαπρολακτόνη Πρόκειται για ένα φθηνό υποκατάστατο των

δίσκων τιτανίου που είναι η πλέον προτιmicroώmicroενη επιλογή έως τώρα Το δοmicroικό του δίκτυο

λειτουργεί σαν βάση πάνω στην οποία θα δηmicroιουργηθεί το καινούργιο οστό

Αντίθετα microε το τιτάνιο που παραmicroένει microόνιmicroα microέσα στον ασθενή και πολλές φορές

η παρουσία του είναι αισθητή microετά την εmicroφύτευση η πολυκαπρολακτόνη βαθmicroιαία

αποικοδοmicroείται ενώ το κόκκαλο αναπτύσσεται χωρίς να αφήνει ίχνη της ύπαρξής της

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του υλικού αυτού είναι η ευκαmicroψία του η οποία το καθιστά

εξατοmicroικευmicroένο καθώς microπορεί να πάρει τη microορφή του κρανίου οποιουδήποτε ασθενή

Η πολυκαπρολακτόνη έχει προοπτικές να χρησιmicroοποιηθεί και σε εmicroφυτεύσεις στη

σπονδυλική στήλη στις αρθρώσεις των γονάτων και στα microάτια

35 Καλλυντική χειρουργική

Υλικά όπως οι σιλικόνες βρίσκουν εφαρmicroογή στον τοmicroέα αυτό ιδιαίτερα σε

επεmicroβάσεις επιδιόρθωσης στο στήθος

44 ΟΟξξεείίεεςς ήή χχρρόόννιιεεςς micromicroοολλύύννσσεειιςς σσεε οορριισσmicromicroέέννεεςς εεφφααρρmicromicroοογγέέςς ββιιοοϋϋλλιικκώώνν

Η κανονική ανάπτυξη των βακτηρίων microπορεί συχνά να αποmicroακρυνθεί καθαρίζοντας

microια επιφάνεια microε απολυmicroαντικό ή microε θεραπεία του οργανισmicroού microε αντιβιοτικά Εντούτοις

τα βακτήρια microπορεί να παραmicroείνουν στην επιφάνεια (τεχνητή ή φυσική όπως είναι ο

ανθρώπινος ιστός) που περιβάλλεται από υγρά Μόλις τα βακτήρια εγκατασταθούν

microπορούν να αναπαραχθούν διαmicroορφώνοντας σύνθετες πολυστρωmicroατικές αποικίες και να

παράφουν microια λεπτή microήτρα που περιβάλλει τα βακτηριακά κύτταρα Η δοmicroή αυτή που

ονοmicroάζεται βιοφίλmicro είναι δύσκολο και συχνά αδύνατο να αποmicroακρυνθεί από τον

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

10

οργανισmicroό microε αντιβιοτικά γιατί η microήτρα που δηmicroιουργείται λειτουργεί σαν φυσικό και

χηmicroικό εmicroπόδιο που προστατεύει τα βακτήρια

Η ζηmicroιά που προκαλείται από αυτά τα παραγόmicroενα βακτήρια συmicroπεριλαmicroβάνει και

τη διάβρωση και αποτυχία των microετταλικών εmicroφυτευmicroάτων Ο σχηmicroατισmicroός του βιοφίλmicro

αποτελεί ένα σοβαρό ιατρικό πρόβληmicroα καθώς προκαλεί microόλυνση των ιατρικών

συσκευών (ενδοτραχειακών σωλήνων ενδοφλέβιων και ουρικών καθετήρων και φακών

επαφής) και των προσθετικών ενθεmicroάτων (καρδιακών βαλβίδων τεχνητών συνδέσmicroων

οδοντικών εmicroφυτευmicroάτωνκαι ενθεmicroάτων της σπονδυλικής στήλης) Η αυξανόmicroενη χρήση

των βιοϊατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων τα τελευταία χρόνια έχει σαν αποτέλεσmicroα τη

συνακόλουθη αύξηση των βακτηριακών microολύνσεων microε χαρακτηριστικότερο παράδειγmicroα

τον επιδερmicroικό σταφυλόκοκκο (Staphylococccus epidermis) Ανάλογα microε τον

εmicroπλεκόmicroενο οργανισmicroό οι microολύνσεις αυτές microπορεί να είναι οξείες (τα συmicroπτώmicroατα

εmicroφανίζονται αmicroέσως microετά την εισαγωγή του ενθέmicroατος) ή χρόνιες (τα συmicroπτώmicroατα

microπορεί να εmicroφανιστούν ακόmicroα και microήνες microετά) Ο σχηmicroατισmicroός του βιοϋλικού που

συνδέεται microε βιοφίλmicro συνήθως οδηγεί σε αφαίρεση ή αναθεώρηση του microοσχεύmicroατος που

έχει προσβληθεί microε προφανή καταστρεπτικά αποτελέσmicroατα για τον ασθενή

Η διεισδυτικότητα του βιοφίλmicro αποτελεί ένα ανεπαρκώς κατανοητό φαινόmicroενο

γεγονός που καθιστά δύσκολη την καταπολέmicroησή του Το κλειδί σχηmicroατισmicroού του

βιοφίλmicro φαίνεται να είναι η αλληλεπίδραση microεταξύ του οργανισmicroού και του ενθέmicroατος

και πιο συγκεκριmicroένα η αλληλεπίδραση microεταξύ της επιφάνειας του βιοϋλικού και των

βακτηρίων καθώς και του περιβάλλοντος που συσχετίζεται microε την επιφάνεια αυτή (για

παράδειγmicroα οι πρωτεΐνες πλάσmicroατος που εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός ενθέmicroατος

microπορουν να laquoεπιδράσουνraquo πάνω σε αυτήν προκειmicroένου να σχηmicroατιστεί βιοφίλmicro)

Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του κάθε βιοϋλικού ndash σκληρότητα υδροφοβία

πορώδες και χηmicroεία- έχουν σηmicroαντική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση και

αποίκιση

55 ΜΜεεττααλλλλιικκάά εεννθθέέmicromicroαατταα

51 Εισαγωγή

Το πρώτο κράmicroα microετάλλων που αναπτύχθηκε για ανθρώπινη χρήση ήταν ο

laquoβαναδιούχος χάλυβαςraquo ο οποίος χρησιmicroοποιήθηκε για την κατασκευή δίσκων που θα

αντικαθιστούσαν θραυσmicroένα οστά και βίδες Τα περισσότερα microέταλλα όπως ο σίδηρος

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

11

(Fe) το χρώmicroιο (Cr) το κοβάλτιο (Co) το νικέλιο (Νi) το τιτάνιο (Τi) το ταντάλιο (Ta)

το microολυβδαίνιο (Μο) και το βολφράmicroιο (W) χρησιmicroοποιήθηκαν για κράmicroατα προκειmicroένου

να κατασκευασθούν εmicroφυτεύmicroατα τα οποία θα ήταν ανεκτά στο σώmicroα σε ελάχιστες

ποσότητες Μερικές φορές αυτά τα microεταλλικά στοιχεία ευρισκόmicroενα σε φυσικές microορφές

είναι απαραίτητα για την λειτουργία των κυττάρων (περίπτωση Fe) ή για την σύνθεση της

βιταmicroίνης Β12 (περίπτωση Co) αλλά όmicroως δεν microπορούν να είναι ανεκτά στο σώmicroα σε

microεγάλες ποσότητες Η βιοσυmicroβατότητα των microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων είναι αποφα-

σιστικής σηmicroασίας διότι αυτά τα εmicroφυτεύmicroατα microπορούν να διαβρώνονται σε ένα

περιβάλλον in vivo Οι συνέπειες της διάβρωσης είναι η αποσύνθεση του υλικού του

εmicroφυτεύmicroατος πράγmicroα που το εξασθενίζει Επίσης επιβλαβές αποτέλεσmicroα είναι και η

διαφυγή των προϊόντων της διαβρώσεως στους περιβάλλοντες ιστούς

52 Ανοξείδωτοι χάλυβες

Ο πρώτος ανοξείδωτος χάλυβας (stainless steel) που χρησιmicroοποιήθηκε για την

κατασκευή εmicroφυτεύmicroατoς ήταν ο 18-8 (τύπος 302 microε τη σύγχρονη ταξινόmicroηση) ο οποίος

είναι ισχυρότερος (microηχανικά ανθεκτικότερος) και περισσότερο ανθεκτικός στη διάβρωση

από τον laquoβαναδιούχο χάλυβαraquo Ο τελευταίος δεν χρησιmicroοποιείται πλέον σε εmicroφυτεύmicroατα

επειδή η αντοχή του σε διάβρωση είναι ανεπαρκής in vivo Αργότερα εισήχθη ο

ανοξείδωτος χάλυβας 18-8sMo ο οποίος έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316 και

περιέχει ένα microικρό ποσοστό microολυβδαινίου για βελτίωση της αντοχής σε διάβρωση σε

αλατούχο νερό Την δεκαετία του 1950 ο περιεχόmicroενος άνθρακας αυτού του χάλυβα

ελαττώθηκε από 008 κβ σε 003 κβ (microέγιστο) για καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

σε χλωριούχο διάλυmicroα και έγινε γνωστός ως ανοξείδωτος χάλυβας 316L Η ελάχιστη αποτελεσmicroατική συγκέντρωση του χρωmicroίου είναι 11 προκειmicroένου να αποκτήσει αντοχή

στη διάβρωση ο ανοξείδωτος χάλυβας Το χρώmicroιο είναι ένα δραστικό στοιχείο αλλά

τόσο αυτό όσο και τα κράmicroατά του microπορούν να παθητικοποιηθούν αποκτώντας

εξαιρετική αντίσταση σε διάβρωση Για εmicroφυτεύmicroατα προτιmicroάται ο τύπος 316L παρά ο

316

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες ειδικά οι τύποι 316 και 316L χρησιmicroο-

ποιούνται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Τα εmicroφυτεύmicroατα αυτά δεν είναι ικανά

να σκληρύνονται microε θερmicroική επεξεργασία αλλά microόνο microε ψυχρή Οι χάλυβες που ανήκουν

σε αυτή την κατηγορία είναι microη microαγνητικοί και κατέχουν καλύτερη αντοχή σε διάβρωση

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

12

από τους άλλους Η ενσωmicroάτωση microολυβδαινίου βελτιώνει την αντοχή σε διάβρωση microε

ουλές (pitting corrosion) σε αλατούχο νερό

Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική φάση σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου και

βελτιώνει την αντίσταση σε διάβρωση Η επιλογή κατάλληλου τύπου ανοξείδωτου

χάλυβά πρέπει να γίνεται προσεκτικά Ακόmicroη και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316L microπoρεί να

διαβρώνεται microέσα στο σώmicroα κάτω από ορισmicroένες περιστάσεις σε microία περιοχή υψηλών

microηχανικών τάσεων και απουσίας οξυγόνου όπως η επαφή κάτω από την βίδα του δίσκου

θραύσεως Συνεπώς οι ανοξείδωτοι χάλυβες είναι κατάλληλοι προς χρήση microόνο

προσωρινά σε διατάξεις εmicroφυτεύmicroατoς όπως οι δίσκοι θραύσεως οι βίδες και τα καρφιά

για το ισχίο

53 Κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

Υπάρχουν δύο τύποι κραmicroάτων κοβαλτίου - χρωmicroίου

το κράmicroα CoCrMo το οποίο έχει χρησιmicroοποιηθεί στην οδοντιατρική για

πολλές δεκαετίες ενώ πρόσφατα βρίσκει εφαρmicroογή στην κατασκευή

τεχνητών συνδέσmicroων Πρόκειται για χυτό κράmicroα

το κράmicroα CoNiCrMo το οποίο είναι ένα σχετικά νέο υλικό που

χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή του κορmicroού των προσθετικών για

συνδέσmicroους έντονα καταπονούmicroενους όπως το γόνατο και το ισχίο

Συνήθως κατεργάζεται microε θερmicroή σφυρηλάτηση

Τα δύο βασικά στοιχεία των κραmicroάτων κοβαλτίου ndash χρωmicroίου σχηmicroατίζουν ένα

στερεό διάλυmicroα microέχρι 65 περιεκτικότητας σε Co Επίσης προστίθεται microολυβδαίνιο

ώστε να παραχθούν λεπτοί κόκκοι Αυτό έχει σαν αποτέλεσmicroα υψηλότερες αντοχές microετά

από χύτευση ή σφυρηλάτηση

Το κράmicroα CoNiCrMo που αρχικά ονοmicroάστηκε ΜΡ35Ν (Standard Pressed Steel Co)

περιλαmicroβάνει προσεγγιστικά 35 Co και 35 Νi Το κράmicroα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό

στο θαλασσινό νερό (που περιέχει χλωριόντα) microε την επιβολή τάσεως Η ψυχρή

λειτουργία του κράmicroατος microπορεί να αυξήσει σηmicroαντικά την αντοχή του παρόλα αυτά

όmicroως υπάρχουν σηmicroαντικές δυσκολίες για την ψυχρή λειτουργία αυτού του κράmicroατος

ιδιαίτερα όταν κατασκευάζονται microεγάλες διατάξεις όπως στελέχη συνδέσεως ισχίου Με

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

13

αυτό το κράmicroα microόνο θερmicroή σφυρηλάτηση microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για την κατασκευή

ενός microεγάλου εmicroφυτεύmicroατoς Επίσης οι ιδιότητες φθοράς του από τριβή (abrasive) είναι

παρόmicroοιες microε του χυτού κράmicroατος όmicroως το πρώτο δεν συνιστάται για επιφάνειες

υποστηριγmicroάτων των συνδέσmicroων προσθετικών λόγω των χαmicroηλών ιδιοτήτων τριβής

(friction) Η υπεροχή σε κόπωση (fatigue) του σφυρηλατηmicroένου κράmicroατος και η τελική

αντοχή του σε εφελκυσmicroό το καθιστούν κατάλληλο για τις εφαρmicroογές που απαιτούν

microεγάλο χρόνο ζωής χωρίς θραύση ή microείωση της τάσεως από κόπωση Τέτοια εφαρmicroογή

είναι τα στελέχη των προσθετικών της σύνδεσης ισχίου Αυτό το πλεονέκτηmicroα εκτιmicroάται

καλύτερα όταν το εmicroφύτευmicroα θα πρέπει να αντικατασταθεί επειδή είναι αρκετά δύσκολο

να αποmicroακρυνθούν τα χαλασmicroένα κοmicromicroάτια που βρίσκονται βαθιά σε microηριαία οστά

Επιπλέον η αρθροπλαστική είvαι συχνά κατώτερη από το πρωτότυπο από λειτουργικής

άποψης λόγω χαmicroηλότερης σταθεροποίησης του εmicroφυτεύmicroατoς

54 Τιτάνιο

Το εύρος των διαθέσιmicroων κραmicroάτων τιτανίου είναι αρκετά microεγάλο ώστε να υπάρχει

πληθώρα επιλογών όσον αφορά στη microορφή του υλικού ανάλογα microε τις ιδιαίτερες

ανάγκες της εκάστοτε εφαρmicroογής Τα περισσότερα microέταλλα που βρίσκονται στα υγρά του

σώmicroατος και τους ιστούς συναντώνται ως σταθερά σύmicroπλοκα Η διάβρωση των

microεταλλικών ενθεmicroάτων από τα σωmicroατικά υγρά έχει σαν αποτέλεσmicroα να ελευθερώνονται

ανεπιθύmicroητα microεταλλικά ιόντα τα οποία παρεmicroβαίνουν στις ζωτικές λειτουργίες Ακόmicroα

και όταν πρόκειται για microικρές συγκεντρώσεις προερχόmicroενες από πολύ χαmicroηλού επιπέδου

διάβρωση υπάρχει κίνδυνος αποβολής του microοσχεύmicroατος από τον οργανισmicroό Το τιτάνιο

θεωρείται απόλυτα αδρανές και απρόσβλητο από τη διάβρωση και κατά συνέπεια

απόλυτα βιοσυmicroβατό

Είναι ένα ενεργό microέταλλο του οποίου η αντίσταση στη διάβρωση οφείλεται στο

προστατευτικό στρώmicroα TiO2 Έχει σχετικά microικρό microέτρο ελαστικότητας (16800000psi)

γεγονός που καθιστά τη συmicroπεριφορά του παρόmicroοια microε αυτή των οστών Όσον αφορά

στην πυκνότητά του είναι πολύ χαmicroηλότερη σε σύγκριση microε άλλων microεταλλικών

βιοϋλικών κι έτσι τα εmicroφυτεύmicroατα από τιτάνιο είναι πολύ ελαφρύτερα από τα όmicroοιά τους

που είναι κατασκευασmicroένα από ανοξείδωτους χάλυβες ή κράmicroατα κοβαλτίου ndash χρωmicroίου

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

14

Πίνακας 2 Πυκνότητες διάφορων βιοϋλικών

Cortical Bone ~20 gcm-3 7-30 Cobalt-Chrome alloy ~85 gcm-3 230 316L Ανοξ Χάλυβας 80 gcm-3 200 CP Τιτάνιο 451 gcm-3 110 Ti6Al4V 440 gcm-3 106

Είναι ανθεκτικό σε όξινα διαλύmicroατα (πχ ΗΝΟ3 οποιασδήποτε συγκέντρωσης microέχρι

το σηmicroείο ζέσεως βασιλικό νερό Η3ΡΟ4 lt30 Η3CrO4 οξαλικό microυρmicroηγκικό

γαλακτικό οξύ) αραιά αλκαλικά διαλύmicroατα (πχ NaClO) στα περισσότερα διαλύmicroατα

αλάτων (χλωριόντα και οξειδωτικά άλατα microέχρι το σηmicroείο ζέσεως πχ FeCl3 CuCl2) και

σε διάφορα αέρια (Cl2 ClO2 αέρας O2 lt 425degC N2lt700degC H2 lt 750degC)

Το ανθρώπινο σώmicroα αναγνωρίζει το τιτάνιο και τα κράmicroατά του ως ξενιστές και

προσπαθεί να τα αποmicroονώσει περιβάλλοντάς τα σε ινώδεις ιστούς Παρόλα αυτά όmicroως

δεν προκαλούν δυσmicroενείς αντιδράσεις και είναι ανεκτά από τον οργανισmicroό Επίσης δεν

προκαλούν αλλεργικές αντιδράσεις όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες οι οποίοι προκαλούν

υπερευαισθησία στους περιβάλλοντες ιστούς

Το πιο ευρέως χρησιmicroοποιούmicroενο κράmicroα τιτανίου είναι το Ti6Al7V το οποίο έχει

υψηλή αντοχή και άριστη βιοσυmicroβατότητα ως χειρουργικό microόσχευmicroα Τα κύρια στοιχεία

του κράmicroατος αυτού είναι το αλουmicroίνιο (55 - 65) και το βανάδιο (35 - 45 )

Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων από τις αρχές του 1986

Το Ti6Al7Nb είναι επίσης ένα κράmicroα τιτανίου microε πολύ υψηλή αντοχή και εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα το οποίο χρησιmicroοποιείται στην κατασκευή ιατρικών ενθεmicroάτων Με

κυριότερη εφαρmicroογή την αντικατάσταση των συνδέσmicroων του γονάτου βρίσκεται σε

ιατρική χρήση από το 1986

Ti6Al7Nb

Al 55-65 Nb 65-75 Ta lt050 Fe lt025 N2 lt005 O2 lt020 C lt008 H2 lt0009 Ti Balance

Πίνακας 3 Σύσταση του κράmicroατος Ti6Al7Nb

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

15

Πίνακας 4 Τυπικές microηχανικές ιδιότητες του κράmicroατος Ti6Al7Nb

Property Typical Value Tensile Strength MPa (ksi) sheet 1000 (145) 02 Proof Stress Mpa (ksi) 900 (130) Elongation over 5D 12 Reduction in Area 35 Elastic Modulus GPa (Msi) 105 (15)

Η επιφάνεια του τιτανίου συνήθως τροποποιείται επικαλυπτόmicroενη microε υδροξυ-

απατίτη Η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή τεχνική για αποmicroάκρυνση αυτής της επίστρωσης

είναι ο ψεκασmicroός πλάσmicroατος

Κράmicroατα τιτανίου - νικελίου εmicroφανίζουν ασυνήθιστες ιδιότητες δηλαδή microετά από

παραmicroόρφωση του υλικού microπορεί αυτό να επιστρέψει απότοmicroα στην αρχική microορφή του

κατόπιν θερmicroάνσεως Αυτό το φαινόmicroενο ονοmicroάζεται φαινόmicroενο microνήmicroης microορφής (shape

memory effect SME) Το κράmicroα ΤiΝi ή ΝiTi σε ισοατοmicroική αναλογία εmicroφανίζει αυτό το

φαινόmicroενο σε θερmicroοκρασία δωmicroατίου Εάν παραmicroορφωθεί πλαστικά κάτω από αυτή την

θερmicroοκρασία microετασχηmicroατισmicroού επιστρέφει στην αρχική microορφή του όταν ανυψωθεί η

θερmicroοκρασία Μερικές δυνατές εφαρmicroογές των κραmicroάτων microε microνήmicroη microορφής είναι

σύρmicroατα για ορθοδοντικές γέφυρες λαβίδες ενδοκρανιακού ανευρύσmicroατος

συστελλόmicroενοι τεχνητοί microύες για microία τεχνητή καρδιά και ορθοπεδικά εmicroφυτεύmicroατα

Οι microορφές και ο προσδιορισmicroός των υλικών περιγράφονται σύmicroφωνα microε τις διεθνείς

προδιαγραφές όπως ASTM και BSISO Πίνακας 5

ASTM BSISO Alloy(s) designation (s) F67 Part 2 Unalloyed titanium - CP Grades 1 - 4 (ASTM F1341 specifies wire)F136 Part 3 Ti-6Al-4V ELI wrought (ASTM F620 specifies ELI forgings)F1472 Part 3 Ti-6Al-4V standard grade (SG) wrought (F1108 specifies SG castings)F1295 Part 11 Ti-6Al-7Nb wrought - Part 10 Ti-5Al-25Fe wrought F1580 - CP and Ti6Al-4V SG powders for coating implants F1713 - Ti-13Nb-13Zr Wrought F1813 - Ti-12Mo-6Zr-2Fe Wrought

Οι σύγχρονες έρευνες επικεντρώνονται στη χρήση νανοκρυσταλλικών κονιαmicroάτων

τιτανίου ως οστέινα ενθέmicroατα Πρόκειται για ένα εξαιρετικά λεπτόκοκκο υλικό το οποίο

είναι εξίσου βιοσυmicroβατό microε το τιτάνιο αλλά είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό από τα

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

16

συmicroβατικά ενθέmicroατα τιτανίου Με χρήση του υλικού αυτού θα προκύψουν ενθέmicroατα

(κυρίως ορθοπεδικά) που θα microοιάζουν ακόmicroα περισσότερο microε τα φυσικά οστά

55 Οδοντιατρικά microέταλλα

Τα οδοντιατρικά microέταλλα χρησιmicroοποιούνται στην oδoντιατρική Το οδοντιατρικό

αmicroάλγαmicroα (denta1 amalgam) είναι ένα κράmicroα που κατασκευάζεται από υγρό υδράργυρο

και άλλα στερεά microέταλλα όπως άργυρο χαλκό κασσίτερο κλπ Το στερεό κράmicroα

αναmicroειγνύεται microε υδράργυρο σε ένα microηχανικό δονητικό αναδευτήρα και το υλικό που

προκύπτει microεταφέρεται microέσα στην κοιλότητα που έχει ήδη προετοιmicroασθεί Ένα στερεό

κράmicroα αποτελείται από τουλάχιστον 65 άργυρο και όχι περισσότερο από 29

κασσίτερο 6 χαλκό 2 ψευδάργυρο και 3 υδράργυρο Η αντίδραση πιστεύεται ότι

προχωρεί σχηmicroατικά ως ακολούθως

γ-φάση + Hg rarr γ-φάση + γ1-φάση + γ2-φάση (1)

όπου

γ-φάση Ag3Sn

γ1-φάση Ag2Hg3

γ2-φάση Sn7Hg

Σύmicroφωνα microε το διάγραmicromicroα φάσεων για το σύστηmicroα Ag - Sn - Hg υπάρχει microία

ευρεία περιοχή συστάσεων όπου είναι παρούσες και οι τρεις φάσεις Η τελική σύσταση

για οδοντικά αmicroαλγάmicroατα τυπικά περιλαmicroβάνει 45 - 55 υδράργυρο 35 -45 άργυρο

και περίπου 15 κασσίτερο microετά τον πλήρη σχηmicroατισmicroό τους σε περίπου microία ηmicroέρα

Ο χρυσός και τα κράmicroατα χρυσού είναι χρήσιmicroα microέταλλα στην οδoντιατρική λόγω

της ανθεκτικότητας σταθερότητας και αντιστάσεως τους στη διάβρωση Πληρωτικά

τmicroήmicroατα από χρυσό διαmicroορφώνονται microε δύο microεθόδους microε χύτευση και microε (ήπια)

σφυρηλάτηση

Τα κράmicroατα χρυσού χρησιmicroοποιούνται γιατί έχουν microηχανικές ιδιότητες ανώτερες

από αυτές του χρυσού Η αντίσταση στη διάβρωση αυτών των microετάλλων διατηρείται microε

τον όρο να περιέχουν 75 ή περισσότερο χρυσό και άλλα ευγενή microέταλλα Ο χαλκός ως

κράmicroα microε τον χρυσό αυξάνει ικανοποιητικά την αντοχή Ο λευκόχρυσος βελτιώνει

επίσης την αντοχή αλλά δεν microπορεί να προστεθεί περισσότερο από 4 γιατί το σηmicroείο

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

17

τήξεως του κράmicroατος θα ανυψωθεί σηmicroαντικά Με τον άργυρο αντισταθmicroίζεται το χρώmicroα

από τον χαλκό Μία microικρή ποσότητα ψευδαργύρου microπορεί να προστεθεί για να ελαττωθεί

το σηmicroείο τήξεως και για να δεσmicroευθούν οξείδια που σχηmicroατίζονται κατά την τήξη

∆ιατίθενται κράmicroατα χρυσού διαφόρων συστάσεων Μαλακότερα κράmicroατα περιέχουν

περισσότερο από 83 χρυσό και χρησιmicroοποιούνται για καταπονούmicroενα τmicroήmicroατα όπου

αρκούν χαmicroηλότερες τάσεις Σκληρότερα κράmicroατα περιέχουν λιγότερο χρυσό και

χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή κορώνας για τα δόντια ή για το microυτερό άκρο των

δοντιών που καταπονούνται microε υψηλές τάσεις

56 Άλλα microέταλλα

Αρκετά άλλα microέταλλα έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε microία ποικιλία ειδικών εφαρmicroογών

εmicroφυτεύσεως Το ταντάλιο έχει χρησιmicroοποιηθεί σε microελέτες εmicroφυτεύσεως ζώων και έχει

διαπιστωθεί ότι είναι ιδιαίτερα βιοσυmicroβατό Λόγω των χαmicroηλών microηχανικών ιδιοτήτων και

της υψηλής πυκνότητάς του (166 gcm) περιορίζονται οι εφαρmicroογές του όπως

συρmicroάτινα ράmicromicroατα για πλαστικές και νευροχειρουργικές επεmicroβάσεις και ένα

ραδιοϊσότοπο για όγκους της ουροδόχου κύστεως

Ο λευκόχρυσος και άλλα ευγενή microέταλλα της οmicroάδας του λευκόχρυσου είναι

ιδιαίτερα ανθεκτικά σε διάβρωση αλλά έχουν χαmicroηλές microηχανικές ιδιότητες

Χρησιmicroοποιούνται κυρίως ως κράmicroατα για ηλεκτρόδια όπως άκρα βηmicroατοδότη λόγω της

υψηλής αντιστάσεως του σε διάβρωση και των χαmicroηλών κατωφλίων δυναmicroικού

57 ∆ιάβρωση microεταλλικών εmicroφυτευmicroάτων

∆ιάβρωση είναι η χηmicroική αντίδραση ενός microετάλλου microε το περιβάλλον του η οποία

έχει ως αποτέλεσmicroα την συνεχή υποβάθmicroισή του σε οξείδια υδροξείδια ή άλλες ενώσεις

Οι υγροί ιστοί στο ανθρώπινο σώmicroα περιέχουν νερό διαλυmicroένο oξυγόνo πρωτεΐνες και

διάφορα ιόντα όπως χλωριόντα και υδροξύλιο Λόγω της ύπαρξης των ουσιών αυτών το

ανθρώπινο σώmicroα παρουσιάζει ένα πολύ επιθετικό περιβάλλον για τα microέταλλα που

χρησιmicroοποιούνται σε εmicroφυτεύσεις Συνεπώς η αντίσταση στη διάβρωση ενός microεταλλικού

υλικού εmicroφυτεύσεως αποτελεί microία σηmicroαντική πλευρά της βιοσυmicroβατότητάς του

Η χαmicroηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας πολλών microετάλλων σε ένα

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

18

οξυγονούχο και ένυδρο περιβάλλον είναι αυτή των οξειδίων ∆ιάβρωση λαmicroβάνει χώρα

όταν τα άτοmicroα του microετάλλου υφίστανται ιονισmicroό και microεταβαίνουν στο διάλυmicroα ή

συνδυάζονται microε οξυγόνο ή άλλα είδη στο διάλυmicroα προς σχηmicroατισmicroό microιας ενώσεως η

οποία διαλύεται Το περιβάλλον του σώmicroατος είναι πολύ επιθετικό microε τους όρους της

διαβρώσεως γιατί το σώmicroα δεν είναι microόνο υγρό αλλά περιλαmicroβάνει επίσης χλωριόντα

και πρωτεΐνες Μία ποικιλία χηmicroικών αντιδράσεων συmicroβαίνουν όταν ένα microέταλλο

εκτίθεται σε ένα υγρό περιβάλλον

Εάν δύο ανόmicroοιά microέταλλα είναι παρόντα στο ίδιο περιβάλλον το ένα το οποίο είναι

το περισσότερο αρνητικό στη γαλβανική σειρά θα λειτουργήσει σαν άνοδος και θα

συmicroβεί διmicroεταλλική (ή γαλβανική) διάβρωση Η γαλβανική διάβρωση microπορεί να είναι

πολύ περισσότερο γρήγορη από τη διάβρωση ενός απλού microετάλλου Συνεπώς η

εmicroφύτευση ανόmicroοιων microετάλλων πρέπει να αποφεύγεται Γαλβανική δράση microπορεί επίσης

να έχει ως αποτέλεσmicroα διάβρωση microέσα σε ένα απλό microέταλλο εάν υπάρχει ανοmicroοιογένεια

microέσα στο microέταλλο ή microέσα στο περιβάλλον του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήmicroα

Σχήmicroα 5 Κελιά microικροδιάβρωσης α) όρια κόκκων ως άνοδοι σε σχέση microε το εσωτερικό των κόκκων

β) ρωγmicroώδης διάβρωση που οφείλεται σε ζώνη ελλείψεως οξυγόνου στο περιβάλλον του microετάλλου

Η τάξη της laquoευγένειαςraquo (microε την έννοια των microη προσβαλλόmicroενων στοιχείων) στην

πράξη microπορεί να διαφέρει από αυτή που προβλέπεται θερmicroοδυναmicroικά Η αιτία είναι ότι

microερικά microέταλλα επικαλύπτονται από ένα παθητικοποιηmicroένο υmicroένιο (φιλmicro) από προϊόντα

της αντιδράσεως τα οποία προστατεύουν το microέταλλο από παραπέρα προσβολή Η

αντίδραση της διαλύσεως microπορεί να είναι έντονα αναντίστρεπτη έτσι ώστε να πρέπει να

υπερνικηθεί ένα εmicroπόδιο δυναmicroικού Σε αυτή την περίπτωση η διάβρωση microπορεί να

εmicroποδίζεται όmicroως παραmicroένει ενεργητικά προτιmicroώmicroενη Η κινητική των αντιδράσεων της

διαβρώσεως δεν microπορεί να προσδιορισθεί microόνον από την θερmicroοδυναmicroική (καθόσον στην

τελευταία δεν υπεισέρχεται η παράmicroετρος laquoχρόνοςraquo)

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

19

∆ιαγράmicromicroατα Pourbaix για την διάβρωση

Το διάγραmicromicroα Pourbaix είναι ένας σχεδιασmicroός των περιοχών της διάβρωσης της

παθητικοποίησης και της ανοσίας όπως αυτές εξαρτώνται από το δυναmicroικό του

ηλεκτροδίου και το pΗ Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix προκύπτουν από την εξίσωση Nernst

και από την διαλυτότητα των προϊόντων αποικοδοmicroήσεως και των σταθερών ισορροπίας

της αντίδρασης Εξ ορισmicroού η περιοχή της διάβρωσης τοποθετείται αυθαίρετα για microία

συγκέντρωση microεγαλύτερη από 10-6 γραmicromicroοάτοmicroα ανά λίτρο microετάλλου στο διάλυmicroα σε

ισορροπία Αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 006 mgl για microέταλλα όπως ο σίδηρος και ο

χαλκός ενώ για το αργίλιο σε 003 mgl Η ανοσία ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ

microετάλλου και ιόντων του σε λιγότερο από 10-6 mol Στη περιoχή της ανοσίας η διάβρωση

είναι ενεργειακά δυνατή Στο παθητικοποιηmicroένο συγκρότηmicroα το σταθερό στερεό

συστατικό είναι ένα οξείδιο ένα υδροξείδιο ένα υβρίδιο ή ένα άλας του microετάλλου Η

παθητικοποίηση ορίζεται ως ισορροπία microεταξύ ενός microετάλλου και των προϊόντων

οξειδώσεώς του (οξείδια υδροξείδια κλπ) σε microία συγκέντρωση 10-6 mοl ή microικρότερη

Αυτή η κατάσταση είναι χρήσιmicroη εάν τα προϊόντα οξειδώσεως έχουν πρόσφυση

Κατά την τοποθέτηση βιοϋλικών η παθητικοποίηση microπορεί να είναι ή να microην είναι

επαρκής Η διάρρηξη microιας παθητικοποιηmicroένης στοιβάδας microπορεί να προκαλεί microία αύξηση

της διαβρώσεως ενώ η κατάσταση ισορροπίας microπορεί να microη συmicroβαίνει εάν τα προϊόντα

αντιδράσεως αποmicroακρύνονται από το υγρό του ιστού Τα υλικά διαφέρουν στην κλίση

τους να επαναδηmicroιουργήσουν microία παθητική στοιβάδα η οποία είχε φθαρεί Αυτή η

στοιβάδα του υλικού microπορεί να προστατεύει το microέταλλο που είναι κάτω από την

στοιβάδα εάν αυτή έχει σταθερή πρόσφυση και είναι microη πορώδης οπότε σε αυτή την

περίπτωση εmicroποδίζεται η παραπέρα διάβρωση

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

20

Σχήmicroα 6 ∆ιάγραmicromicroα Pourbaix για το χρώmicroιο το οποίο δείχνει περιοχές

που συνδέονται microε διάφορα υγρά του σώmicroατος

Υπάρχουν δύο διαγώνιες γραmicromicroές στο διάγραmicromicroα του Σχήmicroατος 5 Η κορυφαία

είναι η γραmicromicroή οξυγόνου που παριστά το ανώτερο όριο της σταθερότητας του νερού

ενώ η κατώτερη διαγώνιος είναι η γραmicromicroή υδρογόνου παριστά το κατώτερο όριο της

σταθερότητας του νερού

Στο ανθρώπινο σώmicroα η σίελος ενδοκυτταρικό υγρό και διαχωρικό υγρό κατέχουν

περιοχές κοντά στη γραmicromicroή οξυγόνου επειδή είναι κορεσmicroένα microε οξυγόνο Αντίθετα το

ούρο χολή το κατώτερο γαστρικό υγρό και εκκρίmicroατα αδένων κατέχουν microία περιοχή

πάνω από την γραmicromicroή υδρογόνου

Η σηmicroασία του διαγράmicromicroατος Pourbaix είναι η ακόλουθη ∆ιάφορα microέρη του

σώmicroατος έχουν διάφορες τιmicroές pΗ και συγκεντρώσεις οξυγόνου Συνεπώς ένα microέταλλο

το οποίο λειτουργεί καλά (δηλαδή είναι στην ανοσία ή στην παθητικότητα) σε ένα

microέρος του σώmicroατος microπορεί να υφίσταται ένα microη αποδεκτό ποσό διάβρωσης σε άλλο

microέρος Eπιπλέov το pΗ microπορεί να microεταβάλλεται σηmicroαντικά στον ιστό ο οποίος έχει

υποστεί βλάβη ή microόλυνση Ειδικότερα το κανονικό υγρό του ιστού έχει ένα pΗ περίπου

74 αλλά σε microία πληγή microπορεί να είναι τόσο χαmicroηλό όπως 35 και σε microία microολυσmicroένη

πληγή το pΗ microπορεί να αυξηθεί σε 90

Τα διαγράmicromicroατα Pourbaix είναι χρήσιmicroα αλλά έχουν ορισmicroένους περιορισmicroούς

Αυτά τα διαγράmicromicroατα έχουν σχεδιασθεί θεωρώντας ισορροπία microεταξύ microετάλλου νερού

και προϊόντων της αντιδράσεως Η παρουσία άλλων ιόντων πχ χλωροϊόντων microπορεί να

έχει ως αποτέλεσmicroα πολύ διαφορετική συmicroπεριφορά καθώς επίσης και microεγάλα microόρια

microέσα στο σώmicroα microπορεί να αλλάζουν αυτή την κατάσταση Η πρόρρηση της

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

21

παθητικοποίησης microπορεί σε ορισmicroένες περιπτώσεις να είναι αισιόδοξη επειδή δεν

θεωρούνται οι ταχύτητες αντιδράσεως

66 ΒΒΙΙΟΟΚΚΕΕΡΡΑΑΜΜΙΙΚΚΑΑ

61 Εισαγωγή

Τα κεραmicroικά είναι συνεκτικές πολυκρυσταλλικές ενώσεις συνήθως ανόργανες που

περιέχουν πυριτικά microεταλλικά οξείδια καρβίδια και ποικίλα δύστηκτα υβρίδια

σουλφίδια και σεληνίδια Η χρήση των κεραmicroικών ήταν αρκετά περιορισmicroένη λόγω της

ευθραυστότητας τους της χαmicroηλής αντοχής εφελκυσmicroού και της χαmicroηλής αντοχής

κρούσεως

Τα τελευταία όmicroως χρόνια microε την ανάπτυξη καινοτόmicroων τεχνικών κατασκευής

κεραmicroικών έχει διαπιστωθεί πως τα κεραmicroικά και τα σύνθετά τους microπορούν να

χρησιmicroοποιηθούν για την αντικατάσταση διαφόρων microερών του σώmicroατος ιδιαίτερα οστών

τα κεραmicroικά αυτά χαρακτηρίζονται ως βιοκεραmicroικά

Η σχετική αδράνεια στα σωmicroατικά υγρά η υψηλή αντοχή θλίψεως και η αισθητικά

ευχάριστη εmicroφάνιση οδήγησε στη χρήση κεραmicroικών στην οδοντιατρική ως οδοντικών

κορωνών Επιπλέον microερικοί άνθρακες έχουν βρει χρήση ως εmicroφυτεύmicroατα ιδιαίτερα για

αιmicroατολογικές διεπιφανειακές εφαρmicroογές τέτοιες όπως βαλβίδες καρδιάς Λόγω της

υψηλής ειδικής αντοχής τους ως ινών και της βιοσυmicroβατότητας τους τα κεραmicroικά

microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν και ως συστατικά ενισχύσεως σε σύνθετα υλικά

εmicroφυτεύσεως και για εφαρmicroογές εφελκυστικών φορτίων τέτοιων όπως τεχνητοί τένοντες

και συνδέσmicroων ιστών microετά οστών

Τα κεραmicroικά σε αντίθεση microε τα microέταλλα και τα πολυmicroερή microπορούν δύσκολα να

αποκτήσουν πλαστικότητα microε διάτmicroηση λόγω της ιοντικής φύσεως του δεσmicroού και τον

ελάχιστο αριθmicroό ελαττωmicroατικών συστηmicroάτων Αυτά τα χαρακτηριστίκα θέτουν τα

κεραmicroικά microη όλκιmicroα και είναι υπεύθυνα για σχεδόν microηδενικό ερπυσmicroό σε θερmicroοκρασία

δωmicroατίου Συνεπώς τα κεραmicroικά είναι πολύ ευαίσθητα σε εγκοπές και microικρορωγmicroές

καθώς αντί να υποστούν πλαστική παραmicroόρφωση θα θραύσουν ελαστικά από τη

διέγερση microίας ρωγmicroής

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

22

Άλλα χαρακτηριστικά των κεραmicroικών είναι οι υψηλές θερmicroοκρασίες τήξεως και η

χαmicroηλή αγωγιmicroότητα σε ηλεκτρισmicroό και σε θερmicroότητα Τα χαρακτηριστικά αυτά

οφείλονται στο χηmicroικό δεσmicroό microέσα στα κεραmicroικά

Στα βιοκεραmicroικά microπορούν να καταταγούν microόνο τα κεραmicroικά που έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες

Να είναι microη τοξικά

Να είναι microη καρκινογόνα

Να είναι microη αναφλέξιmicroα

Να είναι βιοσυmicroβατά

Να είναι βιοδραστικά για τον χρόνο ζωής τους στον αποδέκτη

Τα βιοκεραmicroικά που χρησιmicroοποιούνται για την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microπορούν

να καταταγούν στις ακόλουθες κατηγορίες

1 Μη απορροφήσιmicroα (σχετικά αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Αλουmicroίνα

bull Ζιρκονία

bull Νιτρίδια του πυριτίου

bull Άνθρακες

2 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι οι υδροξυαπατίτες

3 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα (microη αδρανή)

Χαρακτηριστικά βιοκεραmicroικά της κατηγορίας αυτής είναι

bull Φωσφορικό ασβέστιο

bull Αργιλλικό ασβέστιο

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

23

62 Μη απορροφήσιmicroα ή σχετικά βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

621 Εισαγωγή

Τα microη απορροφήσιmicroα (nonabsorbable) ή σχετικά αδρανή βιοαδρανή βιοκεραmicroικά

διατηρούν τις φυσικές και microηχανικές ιδιότητες ενώ βρίσκoνται microέσα στο σώmicroα Είναι

ανθεκτικά σε διάβρωση και φθορά και έχουν όλες τις ιδιότητες που καταγράφονται

παραπάνω Παραδείγmicroατα σχετικά βιοαδρανών κεραmicroικών είναι συmicroπαγή και πορώδη

οξείδια του αργιλλίου κεραmicroικά ζιρκονίας και αργιλλικά ασβέστια microονής φάσεως Αυτής

της κατηγορίας τα υλικά χρησιmicroοποιούνται ως δοmicroικά-υποστρώmicroατα εmicroφυτευmicroάτων

Μερικά από αυτά είναι δίσκοι οστών βίδες οστών και microηριαίες κεφαλές Παραδείγmicroατα

χρήσεων microη δοmicroικών-υποστρωmicroάτων είναι σωλήνες αερισmicroού διατάξεις αποστειρώσεως

και διατάξεις απελευθερώσεως φαρmicroάκων

622 Αλουmicroίνα (Al2O3)

Η κύρια πηγή υψηλής καθαρότητας αλουmicroίνας (οξείδιο αργιλίου Al2O3) είναι ο

βωξίτης και το φυσικό κορούνδιο Η συνήθως διαθέσιmicroη αλουmicroίνα (α- αλουmicroίνα) microπορεί

να παρασκευαστεί microε πύρωση τρι-ένυδρης αλουmicroίνας Από την ASTM (American Society

for Testing and Materials) έχει καθοριστεί ότι η αλουmicroίνα για εmicroφύτευση πρέπει να

περιέχει 995 καθαρή αλουmicroίνα και λιγότερο από 01 συνδιασmicroένη microε SiO2 και

οξείδια αλκαλίων

Η αντοχή της πολυκρυσταλικής αλουmicroίνας εξαρτάται από το microέγεθος των κόκκων

και το πορώδες Γενικά όσο microικρότεροι είναι οι κόκκοι τόσο χαmicroηλότερο το πορώδες

και υψηλότερη η αντοχή Το πρότυπο ASTM απαιτεί microια αντοχή κάmicroψεως microεγαλύτερη

από 400MPa και ένα microέτρο ελαστικότητας 380GPa

Τα βιοκεραmicroικά αλουmicroίνας υψηλής καθαρότητας έχουν αναπτυχθεί ως εναλλακτική

λύση των χειρουργικών κραmicroάτων microετάλλων για ολική αντικατάσταση ισχίων και για

οδοντικά εmicroφυτεύmicroατα Η υψηλή σκληρότητα ο χαmicroηλός συντελεστής τριβής και η

άριστη αντίσταση διάβρωσης της αλουmicroίνας προσφέρουν ένα πολύ χαmicroηλό ποσοστό

φθοράς στις επιφάνειες των αρθρώσεων στις ορθοπεδικές εφαρmicroογές Το microέσο microέγεθος

των κόκκων της αλουmicroίνας που προορίζεται για ιατρική χρήση δεν ξεπερνά τα 7microm

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

24

κυmicroαίνεται συνήθως γύρω στα 14 microm και η επιφάνεια του παρουσιάζει τραχύτητα

microικρότερη των 002 microm Εντούτοις σε περίπτωση που η επιφάνεια της αλουmicroίνας

τροποποιηθεί ή χρησιmicroοποιηθεί άmicroεσα στην περιοχή της άρθρωσης microπορεί να

αναπτυχθεί στη διεπαφή microια ινώδης microεmicroβράνη Σε ορισmicroένες περιστάσεις το microόσχευmicroα

αλουmicroίνας microπορεί να αποτύχει και να οδηγήσει σε χαλάρωση όπως παρατηρήθηκε σε

microερικά οδοντικά microοσχεύmicroατα

Άλλες εφαρmicroογές της αλουmicroίνας αποτελούν τα πορώδη επιστρώmicroατα για τους

microηρούς η προσθετική γονάτων και στο παρελθόν οι microορφές της ως πολυκρυσταλλικός

και ενιαίος κρύσταλλος χρησιmicroοποιούνταν στις οδοντικές εφαρmicroογές ως microοσχεύmicroατα

δοντιών

Η microηχανική συmicroπεριφορά της αλουmicroίνας σε προσοmicroοιωτές (φυσιολογικά

περιβάλλοντα) οδηγεί σε microακροπρόθεσmicroες προβλέψεις επιβίωσης για αυτά τα υλικά όταν

υπόκεινται σε υπέρmicroετρες πιέσεις Τα προιόντα αλουmicroίνας τα οποία προορίζονται για

εmicroφυτεύmicroατα παρουσιάζουν 999 πιθανότητα να επιβιώσουν για 50 χρόνια σε συνθήκες

πίεσης της τάξεως των 112 MPa Υπολογίζοντας τις εκτατές πιέσεις που ασκούνται σε

πολλά microοσχεύmicroατα όπως σε ένα κεραmicroικό ισχίο καταλήγουmicroε στο συmicroπέρασmicroα ότι

αυτός ο τύπος υλικού microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί microε αξιοπιστία Σε microια πρόσφατη εργασία

των Oonishi και λοιποί αναφέρθηκε ότι η φθορά του κράmicroατος αλουmicroίναUHMWPE

στις συνολικές αρθροπλαστικές ισχίων ήταν κατά 25-30 microικρότερη από τη φθορά του

κράmicroατος microέταλλοUHMWPE όπως προέκυψε από τα κλινικά αποτελέσmicroατα στις δοκιmicroές

προσοmicroοιωτών ισχίων Η φθορά στις συνολικές αντικαταστάσεις ισχίων microε χρήση

κράmicroατος αλουmicroίνααλουmicroίνα παρατηρήθηκε να είναι κοντά στο microηδέν σε παρόmicroοια

δοκιmicroή προσοmicroοιωτών ισχίων

Στις δοκιmicroές προσοmicroοιωτών γονάτων η φθορά του UHMWPE ενάντια στην

αλουmicroίνα microειώθηκε στο 110 από αυτή ενάντια στο microέταλλο Σε ορισmicroένες περιπτώσεις

η επιφάνεια του UHMWPE ενάντια στης αλουmicroίνα ήταν πολύ οmicroαλή εντούτοις σε microια

συγκριτική microελέτη για την επιφάνεια UHMWPE ενάντια στο microέταλλο βρέθηκαν πολλές

ινώδεις microεmicroβράνες και ρωγmicroές πράγmicroα που καθιστά την αλουmicroίνα προτιmicroότερη

Λόγω των microηχανικών της ιδιοτήτων η αλουmicroίνα αποτελεί το καλύτερο υλικό για

την κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microηριαίων κεφαλών σε νεαρά άτοmicroα που απαιτούν πλήρη

επαναφορά των σωmicroατικών τους λειτουργιών

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

25

623 Ζιρκονία (ZrO2)

Καθαρή ζιρκονία (zirconia) microπορεί να ληφθεί από χηmicroική microετατροπή του ζιρκονίου

(zircon ZrSiO4) το οποίον ευρίσκεται σε άφθονα ορυκτά αποθέmicroατα Η ζιρκονία

χαρακτηρίζεται από υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm = 2953 Κ) και χηmicroική

σταθερότητα Όταν βρίσκεται σε καθαρή microορφή υφίσταται εξαιρετικά microεγάλη microεταβολή

όγκου κατά την διάρκεια microεταβολών φάσεων σε υψηλές θερmicroοκρασίες Κατά συνέπεια η

χρήση ενός οξειδίου ως microέσου ντοπαρίσmicroατος (dopant) όπως το Υ2Ο3 κρίνεται

απαραίτητη για να σταθεροποιηθεί η κυβική φάση υψηλής θερmicroοκρασίας Με τη

σταθεροποιήση της κυβικής φάσης υψηλής θερmicroοκρασίας επιτυγχάνεται η

ελαχιστοποιήση του microεγέθους των κόκκων του υλικού αύτο έχει σαν αποτέλεσmicroα να

βελτιστοποιούνται οι microηχανικές ιδιότητες του υλικού Επίσης microε τη microέθοδο αυτή

αποφεύγεται η υποβάθmicroιση της κυβικής πολυκρυσταλλικής φάσης της ζιρκονίας σε

microονοκλινή γεγονός που οδηγούσε σε microείωση της αντοχής του υλικού Έχουν

χρησιmicroοποιηθεί 6 mol Υ2Ο3 ως microέσο ντοπαρίσmicroατος της ζιρκονίας για εmicroφύτευση σε

οστά Η ζιρκονία που παράγεται microε αυτό τον τρόπο αναφέρεται ως microερικώς

σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία Παρόλα αυτά οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας είναι κάπως

κατώτερες από αυτές της αλουmicroίνας Η ζιρκονία έχει επιδείξει εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα και αρκετά καλή αντίσταση στη φθορά και την τριβή όταν συνδυάζεται

microε υπερβολικά υψηλού microοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (ultra-highmolecular-weight

polyethylene UHMWPE)

Παρόλο που δεν παρουσιάζει την ίδια σκληρότητα microε την αλουmicroίνα και

παρουσιάζει microικρότερη αντίσταση στη φθορά η microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία

χρησιmicroοποιείται σε ορθοπεδικές εφαρmicroογές κυρίως στις αρθροπλαστικές ισχίων και

microηριαίων οστών όταν συνδιάζεται microε UHMWPE Μέσα από microελέτες και κυρίως microέσω

των πειραmicroάτων της οmicroάδας Oonishi σε προσοmicroοιωτές αντικατάστασης ισχίων και

microηριαίων οστών έχει αποδειχθεί πως τα βιοκεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα που έχουν

κατασκευαστεί από microερικώς σταθεροποιηmicroένη ζιρκονία παρουσιάζουν την microικρότερη

φθορά όσον αφορά την αλληλεπίδρασή τους microε τον ορό του αίmicroατος

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

26

624 Άνθρακες Οι άνθρακες microπορούν να κατασκευαστούν σε διάφορες αλλοτροπικές microορφές όπως

(κρυσταλλικό) διαmicroάντι (diamond) γραφίτης (graphite) microη κρυσταλλικός υαλώδης

άνθρακας (noncrystalline glassy carbon) και ηmicroικρυσταλλικός πυρολυτικός άνθρακας

(quasicrystalline pyrolytic carbon) Μεταξύ αυτών microόνον ο πυρολυτικός άνθρακας

χρησιmicroοποιείται ευρέως για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Χρησιmicroοποιείται κανονικά ως

επιφανειακή επικάλυψη (surface coating) Είναι επίσης δυνατόν να επικαλυφθούν

επιφάνειες microε διαmicroέντι Αν και οι τεχνικές επικαλύψεως microε διαmicroάντι έχουν το δυναmicroικό

για επαναστατικές κατασκευές ιατρικών συσκευών δεν είναι ακόmicroη εmicroπορικά

διαθέσιmicroες

Η κρυσταλλική δοmicroή του άνθρακα όπως χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτεύmicroατα είναι

όmicroοια microε την δοmicroή του γραφίτη Η επίπεδη εξαγωνική περιοχή σχηmicroατίζεται microε ισχυρούς

οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς στους οποίους ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόmicroων είναι

ελεύθερο να κινηθεί έχει ως αποτέλεσmicroα υψηλή αλλά ανισοτροπική ηλεκτρική

αγωγιmicroότητα Επειδή οι δεσmicroοί microεταξύ των στοιβάδων είναι ισχυρότεροι από τις δυνάmicroεις

van der Waals έχει προταθεί ότι οι στοιβάδες είναι διασταυρωmicroένες (cross-linked)

Παρόλα αυτά η αξιοσηmicroείωτη λιπαντική ιδιότητα του γραφίτη δεν microπορεί να επιτευχθεί

χωρίς να ελαττωθούν οι διασταυρώσεις

Οι πτωχοί κρυσταλλικά άνθρακες θεωρείται ότι περιέχουν microη συνδεδεmicroένα ή microη

προσανατολισmicroένα άτοmicroα άνθρακα microε αποτέλεσmicroα οι εξαγωνικές στοιβάδες να microην

διευθετούνται τέλεια Σε περίπτωση που οι κρυσταλλίτες είναι τυχαία διασκορπισmicroένοι

τα συσσωmicroατώmicroατα γίνονται ισοτροπικά

Οι microηχανικές ιδιότητες των ανθράκων βελτιστοποιούνται microε αύξηση της

πυκνότητας του υλικού αυτό δείχνει πως οι ιδιότητες του πυρολιτικού άνθρακα εξαρτών-

ται κυρίως από τη δοmicroή του συσσωmicroατώmicroατος του υλικού

Η αντοχή του πυρολυτικού άνθρακα είναι αρκετά υψηλή σε σύγκριση microε το γραφίτη

και τον υαλώδη άνθρακα Αυτό οφείλεται στο microικρότερο αριθmicroό ελαττωmicroατικών θέσεων

και στους microη συνδεδεmicroένους άνθρακες στο συσσωmicroάτωmicroα Παρόλα αυτά η microέση τιmicroή

του microέτρου ελαστικότητας είναι σχεδόν ή ίδια για όλους τους άνθρακες

Σύνθετο υλικό άνθρακα ενισχυmicroένου microε ίνες άνθρακα έχει χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων όmicroως αυτά τα σύνθετα είναι πολύ ανισοτροmκά και η

πυκνότητά τους είναι microεταξύ 14 έως 145 gcm3 microε πορώδες 35 έως 38

Οι άνθρακες παρουσιάζουν εξαιρετική συmicroβατότητα microε τους ιστούς ∆ιατάξεις

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

27

επικαλυmicroέvου πυρολυτικού άνθρακα (pyrolytic carbon - coated devices) συmicroβατές microε το

αίmicroα έχουν ως αποτέλεσmicroα εκτεταmicroένη χρήση για επισκευή βαλβίδων καρδιάς και

αγγείων αίmicroατος

Πυρολυτικοί άνθρακες microπορούν να αποτίθενται microέσα σε τελειωmicroένα εmicroφυτεύmicroατα

από αέριο υδρογονάνθρακα σε microία ρευστοστερεά κλίνη (fluidized bed) κάτω από microία

ελεγχόmicroενη θερmicroοκρασία και πίεση Η ανισοτροπία η πυκνότητα το microέγεθος και η δοmicroή

των κρυσταλλιτών του άνθρακα που αποτίθεται microπορεί να ελεχθούν microε την θερmicroοκρασία

την σύσταση του αερίου της γεωmicroετρίας της κλίνης τον χρόνο παραmicroονής (ταχύτητα)

των αέριων microορίων στη κλίνη Η microικροδοmicroή του άνθρακα που αποτίθεται πρέπει να

ελέγχεται πάρα πολύ επειδή η διαmicroόρφωση των χαρακτηριστικών αναπτύξεως που

συνδέεται microε ανώmicroαλη κρυστάλλωση microπορεί να έχει ως αποτέλεσmicroα ένα ασθενέστερο

υλικό Επίσης είναι δυνατόν να εισαχθούν διάφορα στοιχεία microέσα στο αέριο και να

συναποτεθούν αυτά microε τον άνρθακα Συνήθως πυρίτιο (10 έως 20 wo) συναποτίθεται

(codeposite) ή κραmicroατοποιείται (alloyed) για να αυξηθεί η σκληρότητα για εφαρmicroογές

που απαιτούν αντίσταση σε τριβή όπως σε πλάκες βαλβίδων καρδιάς

΄Εχει επιτευχθεί επίσης η απόθεση πυρολυτικού άνθρακα microέσα σε επιφάνειες

εmicroφυτευmicroάτων αγγείων αίmicroατος που έχουν κατασκευασθεί από πολυmicroερές Αυτός ο τύπος

του άνθρακα ονοmicroάζεται υπερβολικά χαmicroηλής θερmicroοκρασίας ισοτροπικός άνθρακας

(ultralow-temperature isotropic carbon ULΤΙ Ο αποτιθέmicroενος άνθρακας έχει εξαιρετική

συmicroβατότητα microε το αίmicroα και είναι αρκετά λεπτός ώστε να microη microεταβάλλει την ευκαmicroψία

των εvoφθαλmicroισmicroάτων (grafts)

Πίνακας 6 Ιδιότητες διαφόρων τύπων άνθρακα

Τύποι άνθρακα Ιδιότητες

Γραφίτης Υαλώδης Πυρολυτικός

Πυκνότητα (gcm3) 15 ndash 19 15 15 - 2

Μέτρο ελαστικότητας (GPa) 24 24 28

Αντοχή θλίψεως (MPa) 138 172 517

∆υσθραυστότητα (mNcm3) 63 06 48

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

28

63 Βιοενεργά ή επιφανειακώς δραστικά (ηmicroι-αδρανή)

631 Εισαγωγή

Τα επιφανειακώς δραστικά κεραmicroικά (surface-reactive ceramics) ή βιοενεργά

(bioactive) κατά την εmicroφύτευση στο σώmicroα σχηmicroατίζουν ισχυρούς δεσmicroούς microε γειτονικό

ιστό Παραδείγmicroατα επιφανειακώς δραστικών κεραmicroικών είναι τα πυκνά microη πορώδη

γυαλιά Bioglass και Ceravital και υδροξυαπατίτες Μία από τις πολλές χρήσεις είναι η

επικάλυψη microεταλλικών προσθετικών Αυτή η επικάλυψη παρέχει ένα ισχυρό δεσmicroό σε

γειτονικούς ιστούς ο οποίος είναι πολύ σπουδαίος για το προσθετικό επιφανειακώς

δραστικά βιοκεραmicroικά χρησιmicroοποιούνται

1 ως επικαλυπτικά microεταλλικών προσθετικών

2 σε ανακατασκευή οδοντικών ελαττωmicroάτων

3 για πλήρωση χώρου που microένει κενός από βίδες οστών δότες οστών εξαγωγή

όγκων και απώλειας ασθενών οστών

4 ως δίσκους και βίδες οστών

5 για διόρθωση περιοδοντικών ελαττωmicroάτων κλπ

632 Βιοΰαλοι

Αρκετές παραλλαγές βιοϋάλων (bioglass) και Ceravital υαλο-κεραmicroικά (glass-

ceramics) έχουν χρησιmicroοποιηθεί την τελευταία δεκαετία Υαλο-κεραmicroικά που

χρησιmicroοποιούνται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα βασιζόmicroενα σε οξείδιο πυριτίου microε ή

χωρίς φωσφορικό πεντοξείδιο

Τα υαλο-κεραmicroικά κατασκευάζονται microε ελεγχόmicroενη κρυστάλλωση υάλων και

αρχικά χρησιmicroοποιήθηκαν σε φωτοευαίσθητες υάλους στα οποία microικρές ποσότητες

χαλκού αργύρου και χρυσού έχουν ενσωmicroατωθεί (microε κατακρήmicroνιση) microε υπεριώδη

ακτινοβολία Αυτά τα microεταλλικά συστατικά βοηθούν την πυρήνωση και την

κρυστάλλωση της υάλου σε λεπτούς κόκκους κεραmicroικού οι οποίοι έχουν εξαιρετικές

microηχανικές και θερmicroικές ιδιότητες Αmicroφότερα τα βιοκεραmicroικά Bioglass και Ceravital

έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως εmicroφυτεύmicroατα Ο σχηmicroατισmicroός υαλο-κεραmicroικών επηρεάζεται

από την πυρήνωση και την ανάπτυξη microικρών (1microm) κρυστάλλων καθώς επίσης η

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

29

κατανοmicroή microεγέθους αυτών των κρυστάλλων Η κρυστάλλωση συνήθως γίνεται σε

περισσότερο από 90 microε microέγεθος κόκκων 01 έως 1 microm Αυτοί οι κόκκοι είναι πολύ

microικρότεροι από αυτούς των συνήθων κεραmicroικών

Τα υαλο-κεραmicroικά που αναπτύσσονται για εmicroφύτευση είναι συστήmicroατα Si02-CaO-

Na20-P2Ο5 και Li20-ZnO-Si02 ∆ύο κύριες οmicroάδες έχουν δοκιmicroασθεί microε το υαλο-κεραmicroικό

Si02-CaO-Na20-P2Ο5 Η microία οmicroάδα microεταβάλλει την σύσταση για να ληφθεί η καλύτερη

υαλο-κεραmicroική σύσταση προς εισαγωγή απευθείας δεσmicroού microε το οστούν Ο δεσmicroός microε το

οστούν σχετίζεται ταυτόχρονα microε τον σχηmicroατισmicroό microίας στοιβάδας υmicroενίου (φιλmicro)

πλούσιας σε φωσφορικό ασβέστιο και Si02 πάνω στην επιφάνεια Από την άλλη microεριά

εάν αρχικά σχηmicroατίζεται microία στοιβάδα πλούσια σε Si02 και αργότερα αναπτύσσεται ένα

υmicroέvιo φωσφορικού ασβεστίου ή δεν σχηmicroατίζεται υmicroέvιo φωσφορικών τότε δεν

λαmicroβάνει χώρα απευθείας δεσmicroός microε το οστούν

Η σύσταση Ceravital είναι όmicroοια microε αυτή των Bioglass σε περιεχόmicroενο Si02 αλλά

διαφέρει κάπως σε άλλα συστατικά Προκειmicroένου να ελεχθεί η ταχύτητα διαλύσεως

προστίθενται A1203 Τί02 και Ta2 Ο5 σε Ceravita1 υαλο-κεραmicroικά

Τα υαλο-κεραmicroικά έχουν αρκετές επιθυmicroητές ιδιότητες συγκρινόmicroενες microε υάλους

και κεραmicroικά Ο συντελεστής θερmicroικής διαστολής είναι πολύ χαmicroηλός τυmκά 10-7 έως

10degC και σε microερικές περιπτώσεις microπορεί να είναι ακόmicroη και αρνητικός Η αντοχή

εφελκυσmicroού αυτών των υλικών λόγω του ελεγχόmicroενου microεγέθους των κόκκων και της

βελτιωmicroένης αντιστάσεως σε επιφανειακές φθορές microπορεί να αυξηθεί τουλάχιστον κατά

ένα παράγοντα 2 δηλαδή από 100 σε 200 MPa Η microηχανική αντοχή του διεπιφανεικού

δεσmicroού microεταξύ οστού και κεραmicroικού Bioglass είναι της ιδίας τάξεως microεγέθους όπως η

αντοχή υαλο-κεραmicroικής microάζας (83 3 MPa) η οποία είναι περίπου τα τρία τέταρτα αυτής

της αντοχής του οστού ΄Ενα αρνητικό χαρακτηριστικό των υαλο-κεραmicroικών είναι η

ευθραυστότητά τους ΄Ετσι τα υαλο-κεραmicroικά δεν microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων microεγάλων φορέων φορτίου όπως εmicroφυτεύσεις αρθρώσεων

Παρόλα αυτά microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως πληρωτικά για τσιmicroέντο οστού (bone

cement) σύνθετα αποκαταστάσεως οδόντων και επικαλυπτικά υλικά

633 Υδροξυαπατίτης [ Ca10(PO4)6(OH)2]

O υδροξυαπατίτης είναι χηmicroικά παρόmicroοιος microε το κύριο συστατικό των κόκκαλων

και των σκληρών ιστών στα θηλαστικά Σκληροί ιστοί όπως οστά οδοντίνη (dentin) και

οδοντικό σmicroάλτο είναι φυσικά σύνθετα τα οποία περιέχουν υδροξυαπατίτη (ή ένα όmicroοιο

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

30

ορυκτό) καθώς επίσης πρωτεϊνη άλλα οργανικά υλικά και νερό Το σmicroάλτο είναι ο

πλέον άκαmicroπτος (stiffest) σκληρός ιστός microε ένα microέτρο ελαστικότητας Ε=74 GPa και

περιέχει το περισσότερο ορυκτό Η οδοντίνη (Ε=21 GPa) και συmicroπαγείς ιστοί (Ε=12 έως

18 GPa) περιέχουν συγκριτικά λιγότερο ορυκτό Ο λόγος Poisson για τον ορυκτό ή

συνθετικό υδροξυαπατίτη είναι περίπου 027 το οποίον πλησιάζει αυτό των οστών (=

03)Είναι ένα από τα λίγα υλικά που ταξινοmicroούνται ως βιοενεργά αυτό σηmicroαίνει ότι έχει

την ικανότητα να βοηθά το κόκκαλο στην αναπτυξή του όταν χρησιmicroοποιείται στις

ορθοπεδικές και οδοντικές εφαρmicroογές

Η χηmicroική φύση του υδροξυαπατίτη επιτρέπει την πραγmicroατοποίηση αντιδράσεων

υποκατάστασης Οι πιο κοινές υποκαταστάσεις περιλαmicroβάνουν τις υποκαταστάσεις

ανθρακικού άλατος φθορίου και χλωρίου για τις οmicroάδες υδροξυλίου είναι δυνατό να

υπάρξουν ατέλειες κατά τις υποκαταστάσεις microε συνέπεια τη δηmicroιουργία ανεπαρκών

υδροξυαπατιτών

O υδροξυαπατίτης είναι microια θερmicroικά ασταθής ένωση καθώς αποσυντίθεται σε

θερmicroοκρασία 800-1200degC ανάλογα microε τη στοιχειοmicroετρία του Επιπλέον κατά γενική

οmicroολογία ο πυκνός υδροξυαπατίτης δεν έχει τη microηχανική αντοχή για να διατηρηθεί

αναλλοίωτος για microεγάλο χρονικό διάστηmicroα σε περιβάλλον όπου υπόκειται σε microεγάλες

πιέσεις και τριβές

Εντούτοις παρουσιάζει σπουδαίες ιδιότητες όπως είναι η εξαιρετική

βιοσυmicroβατότητα Ο υδροξυαπατίτης φαίνεται να σχηmicroατίζει ένα άmicroεσο χηmicroικό δεσmicroό microε

σκληρούς ιστούς Με την εmicroφύτευση υδροξυαπατίτη ως σωmicroατιδίων ή πορωδών microερών

σε οστά νέα δικτυωτά πολυστρώmicroατα οστών σχηmicroατίζονται εντός 4 έως 8 εβδοmicroάδων

Επιστρώmicroατα υδροξυαπατίτη εφαρmicroόζονται συχνά στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα

(συνηθέστερα σε κράmicroατα τιτανίουτιτανίου και ανοξείδωτων χαλύβων) για να αλλάξουν

τις ιδιότητες της επιφάνειας Με τον τρόπο αυτό ο οργανισmicroός θεωρεί πως το εmicroφύτευmicroα

είναι κατασκευασmicroένο από υδροξυαπατίτη υλικό microε πολύ microεγάλη βιοσυmicroβατότητα

Χωρίς την ύπαρξη του επιστρώmicroατος ο οργανισmicroός θα εντόπιζε ένα ξένο σώmicroα και θα

εργαζόταν microε τέτοιο τρόπο ώστε να το αποmicroονώσει από τους περιβάλλοντες ιστούς

Μέχρι σήmicroερα η microόνη εmicroπορικά αποδεκτή microέθοδος χρήσης του υδροξυαπατίτη είναι τα

επιστρώmicroατα στα microεταλλικά microοσχεύmicroατα (ψεκασmicroός πλάσmicroατος)

O υδροξυαπατίτης microπορεί να συναντηθεί σε διάφορες microορφές όπως σκόνη ή κόκκοι

και microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί για να γεmicroίσει τις ατέλειες ή τα κενά κόκκαλων Αυτά τα

κενά και οι ατέλεις microπορούν να προκύψουν σε περιπτώσεις όπου πρέπει να αφαιρεθούν

microεγάλα τmicroήmicroατα του κόκκαλου (πχ καρκίνοι κόκκαλων) ή όταν απαιτούνται αυξήσεις

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

31

κόκκαλων (πχ αναδηmicroιουργίες της γνάθου ή οδοντικές εφαρmicroογές) Το υλικό

πληρώσεως κόκκαλων θα παράσχει ένα ικρίωmicroα και θα ενθαρρύνει τη γρήγορη πλήρωση

του κενού διαmicroορφώνοντας το κόκκαλο Θα γίνει επίσης microέρος της δοmicroής των οστών και

θα microειώσει αισθητά τον χρόνο θεραπείας (επούλωσης) καθώς εάν κανένα υλικό

πληρώσεως κόκκαλων δεν χρησιmicroοποιούταν τότε ο χρόνος θεραπείας για το ίδιο

περιστατικό θα ήταν κατά πολύ microεγαλύτερος

64 Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα ή απορροφήσιmicroα κεραmicroικά

641 Εισαγωγή

Τα απορροφήσιmicroα κεραmicroικά (resorbable ceramics) όπως υποδηλώνει και η

ονοmicroασία τους αποικοδοmicroούνται στην εmicroφύτευση microέσα στο σώmicroα Το απορροφήσιmicroο

υλικό αντικαθίσταται από ενδογενή ιστό Η ταχύτητα αποικοδοmicroήσεως ποικίλει από

υλικό σε υλικό Σχεδόν όλα τα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα κεραmicroικά είναι παραλλαγές του

φωσφορικού ασβεστίου όπως είναι φωσφορικό τριασβέστιο φωσφορικά οξείδια

αργιλλίoυ-ασβεστίoυ φωσφορικά οξείδια σιδήρου-ασβεστίου φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου υδροξυαπατίτης φωσφορικά οξείδια θειϊκού ψευδαργύρου -

ασβεστίου Επίσης έχουν χρησιmicroοποιηθεί ως βιοαπορροφήσιmicroα υλικά το θειϊκό ασβέστιο

και κοράλια (cora1)

642 Φωσφορικό ασβέστιο

Το φωσφορικό ασβέστιο έχει χρησιmicroοποιηθεί microε την microορφή τεχνητών οστών

Μπορεί να κρυσταλλωθεί ως άλατα όπως είναι ο υδροξυαπατίτης πράγmicroα που εξαρτάται

από την αναλογία Ca Ρ την παρουσία νερού και ακαθαρσιών καθώς και από την

θερmicroοκρασία Σε υγρό περιβάλλον και σε χαmicroηλές θερmicroοκρασίες laquo 900degC) σχηmicroατίζονται

υδροξυλιο- ή υδροξυαπατίτης ενώ σε microία ξηρή ατmicroόσφαιρα και σε microία υψηλότερη

θερmicroοκρασία θα σχηmicroατισθεί β-βιτλoκίτης (β-whitΙοckite) Αmicroφότερες οι microορφές είναι

ιδιαίτερα βιοσυmicroβατές microε τους ιστούς και χρησιmicroοποιούνται ως υποκατάστατα οστών σε

κοκκώδη microορφή ή ως συmicroπαγές στερεό Η απατική microορφή του φωσφορικού σβεστίου

θεωρείται να σχετίζεται στενά microε την ορυκτή φάση (minera1 phase) οστών και δοντιών

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

32

Γενικά το φωσφορικό ασβέστιο Ca3(P04)2 αποτελεί το κύριο συστατικό των οστών ενώ

το ανθρακικό ασβέστιο CaC03 αποτελεί τα κελύφη των ωών των οστράκων τα

κοράλλια κλπ

Η υποκατάσταση ΟΗ από φθόριο δίδει στον απατίτη microεγαλύτερη χηmicroική

σταθερότητα λόγω της πυκνότερης χωροθετήσεως του φθορίου (συmicromicroετρική δοmicroή)

συγκρινόmicroενη microε την υδροξυλική microορφή (ασύmicromicroετρη δύο άτοmicroα) στο πλησιέστερο άτοmicroο

ασβεστίου Σε αυτό αποδίδεται γιατί η φθορίωση του πόσιmicroου νερού βοηθά την

αντίσταση κατά της τερηδόνας των δοντιών

Οι microηχανικές ιδιότητες συνθετικών φωσφορικών ασβεστίου ποικίλοθν σηmicroαντικά

Η ευρεία παραλλαγή των ιδιοτήτων πολυκρυσταλλικού φωσφορικού ασβεστίου οφείλεται

στις παραλλαγές της δοmicroής και στις κατασκευαστικές διαδικασίες Εξαρτώmicroενο από τις

τελικές συνθήκες πυρώσεως το φωσφορικό ασβέστιο microπορεί να είναι υδροξυαπατίτης

ασβεστίου ή β-βιτλoκίτης Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχουν αmicroφότεροι οι τύποι δοmicroής

στο ίδιο τελικό προϊόν

643 Κεραmicroικά φωσφορικού αργιλίου-ασβεστίου

Αρχικά (1969) είχε κατασκευασθεί ένα κεραmicroικό ασβεστίου - αργιλικών που

περιείχε φωσφορικό πεντοξείδιο Αργότερα (1980) αναπτύχθηκαν φωσφορικά οξείδια

αργιλλίου-ασβεστίου (aluminum-calcium-phosphorous oxide ALCAP) Το ALCAP έχει

microονωτικές διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Τα

κεραmicroικά ALCAP είναι microοναδικά διότι παρέχουν ένα πολλαπλών στόχων

κρυσταλλογραφικό σύστηmicroα όπου φάση του κεραmicroικού σε εmicroφύτευση microπορούν να

απορροφώνται γρηγορότερα από άλλα Το ALCAP παρασκευάζεται από σκόνες οξειδίου

του αργιλλίου οξείδιο ασβεστίου και φωσφορικό πεντοξείδιο Μία σχέση 503416 κατά

βάρος σε A1203 CaO και P2 Ο5 χρησιmicroοποιείται για να ληφθεί το αρχικό microείγmicroα για

πύρωση στους 1350 degC σε ένα φούρνο υψηλών θερmicroοκρασιών για 12 ώρες Το προϊόν

αφού κονιοποιηθεί πρεσσάρεται σε συmicroπαγή microάζα ή κοίλους κυλίνδρους (πράσινη

microορφή) και υφίσταται επίτηξη (sinter) στους 1400 degC για 36 ώρες για να αυξηθεί η

microηχανική αντοχή Τα κεραmicroικά εmicroφυτεύmicroατα ALCAP έχουν δώσει εξαιρετικά

αποτελέσmicroατα ως προς την βιοσυmicroβατότητα και την βαθmicroιαία αντικατάσταση κεραmicroικού

υλικού microε ενδογενές οστούν

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

33

644 Κοράλια

Το κοράλιο (coral) είναι microία φυσική ουσία που κατασκευάζεται από θαλάσσια

ασπόνδυλα Η πορώδης δοmicroή του κοραλλίου είναι microοναδική για κάθε είδος θαλάσσιου

ασπονδύλου Τα κοράλια έχουν επιλεγεί για χρησιmicroοποίηση σε εmicroφυτεύmicroατα οστών λόγω

της δοmicroικής οmicroοιότητας προς τα οστά Το κοράλιο παρέχει microία εξαιρετική δοmicroή για την

ανάπτυξη οστού και το κύριο συστατικό το ανθρακικό ασβέστιο απορροφείται βαθmicroιαία

από το σώmicroα Τα κοράλια microπορούν να microετατραπούν σε υδροξυαπατίτη microέσω microίας

υδροθερmicroικής διαδικασίας Το βιοκοράλιο συντίθεται από κρυσταλλικό ανθρακικό

ασβέστιο ή αραγωνίτη η οποία είναι microετασταθής microορφή ανθρακικού ασβεστίου Η

αντοχή θλίψεως του βιοκοραλίου αλλάζει από 26 (50 πορώδες) σε 395 MPa (πυκνό)

και εξαρτάται από το πορώδες του κεραmicroικού Οmicroοίως το microέτρο ελαστικότητας (microέτρο

Υoung) του βιοκοραλίου αλλάζει από 8 (50 πορώδες) σε 100 GPa (πυκνό)

645 Κεραmicroικά φωσφορικού οξειδίου του ψευδαργύρου-ασβεστίου

Ο ψευδάργυρος είναι ουσιώδης για τον ανθρώπινο microεταβολισmicroό και είναι ένα

συστατικό τουλάχιστον 30 microεταλλοενζύmicroων Επιπροσθέτως ο ψευδάργυρος microπορεί να

περιλαmicroβάνεται στη διαδικασία θεραπείας πληγής Συνεπώς τα φωσφορικά οξείδια

ψευδαργύρου-ασβεστίου (zinc-calcium-phosphorous oxide ZCAP) έχουν συντεθεί για να

επισκευάζονται ελαττώmicroατα οστών και απελευθέρωση φαρmicroάκων Το κεραmicroικό ZCAP

παρασκευάζεται microε microία θερmicroική ανάmicroειξη κόνεων οξειδίου ψευδαργύρου οξειδίου

ασβεστίου και φωσφορικού πεντοξειδίου Το ZCAP όπως και το ALCAP έχει microονωτικές

διηλεκτρικές ιδιότητες αλλά όχι microαγνητικές ή πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Εχουν

χρησιmicroοποιηθεί διάφοροι λόγοι αυτών των κόνεων για την παραγωγή του επιθυmicroητού

υλικού Οι κόνεις των οξειδίων αναmicroειγνύονται και πυρώνονται στους 800degC για 24 ώρες

Το προϊόν κονιοποιείται στο επιθυmicroητό microέγεθος σωmicroατιδίων Κεραmicroικά ZCAP έχουν

χρησιmicroοποιηθεί για επισκευή πειραmicroατικά εισαγώmicroενων ελαττωmicroάτων σε οστά και για

απελευθέρωση φαρmicroάκων

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

34

77 ΠΠοολλυυmicromicroεερρήή

71 Εισαγωγή

Τα πολυmicroερή έχουν τύχει ευρέων βιοϊατρικών εφαρmicroογών Η χαmicroηλή πυκνότητα η

σχετική αδράνειά τους και η εύκολη επεξεργασία των πολυmicroερών τα καθιστούν

ελκυστικά για τέτοιου είδους εφαρmicroογές Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται το

πολυmicroερή που παίρνουν microέρος σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρmicroογές

Πίνακας 7 Βιοϊατρικές εφαρmicroογές πολυmicroερών

ΕΕΦΦΑΑΡΡΜΜΟΟΓΓΗΗ ΠΠΟΟΛΛΥΥΜΜΕΕΡΡΕΕΣΣ Καρδιακή

Βαλβίδες καρδιάς Pus PVC σιλικόνες

Βηmicroατοδότες Pus σιλικόνες

Αγγειακά εναφθαλmicroίσmicroατα Pus PTFE πολυεστέρες

Οφθαλmicroολογική

Φακοί επαφής PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Εmicroφυτεύmicroατα κερατοειδούς PHEMA σιλικόνες ακρυλικά

Ράmicromicroατα Πολυγλυκολικό οξύ νάιλον σιλικόνες

Οδοντική

Τεχνητή οδοντοστοιχία Φυσικό ελαστικό PMMA PC νάιλον

Χειρουργική προσώπου Σιλικόνες

Τεχνητό δόντι ΡΜΜΑ

Συγκολλητικά Πολυακρυλικό οξύ

Ορθοπεδική PMMA UHMWPE σιλικόνες

Πλαστική χειρουργική Σιλικόνες

Οι εφαρmicroογές στη microηχανική ιστών και στην αποδέσmicroευση φαρmicroάκων βασίζονται

κυρίως σε υλικά που απορροφούνται ή αποικοδοmicroούνται στα σωmicroατικά υγρά έτσι ώστε η

διάταξη να laquoεξαφανίζεταιraquo εντελώς χωρίς παρενέργειες Η αποικοδόmicroηση αυτών των

πολυmicroερών microπορεί να προχωρήσει microε microια βιολογικά ενεργή διαδικασία (πχ microε τη

συmicromicroετοχή ενζύmicroων που είναι παρόντα στα σωmicroατικά υγρά) ή microε παθητική υδρολυτική

σχάση Ο κύριος και συνηθέστερος microηχανισmicroός αποικοδοmicroήσεως βασίζεται σε απλή

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

35

υδρόλυση της υδρολυτικά ασταθούς πολυmicroερικής αλυσίδας Τα προϊόντα αυτής της

αποικοδοmicroήσεως πρέπει να microην είναι τοξικά δηλαδή να είναι βιολογικός αποδεκτά και να

microεταβολίζονται από το σώmicroα microέσω βιολογικών οδών microεταβολισmicroόυ Ακόmicroα πρέπει τα

παραπροϊόντα να είναι αποδεκτά στον οργανισmicroό και να microην προκαλούν ανοσολογικές

αντιδράσεις Τα πλεοντεκτήmicroατα της χρήσης βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών είναι

∆εν προξενούν microόνιmicroη χρόνια αντίδραση ξένου σώmicroατος (φλεγmicroονές κλπ)

∆εν απαιτείται δεύτερη χειρουργική επέmicroβαση microετά τη λήξη της θεραπείας κατά

την χρήση τους ως παροδικά εmicroφυτεύmicroατα

Σε εmicroφυτεύmicroατα επουλώσεως (πχ ιστών οστών) αποικοδοmicroούνται microε ρυθmicroό που

microεταφέρει σταδιακά τη φόρτιση στο σηmicroείο επουλώσεως και όχι απότοmicroα όπως

συmicroβαίνει microε τα microεταλλικά εmicroφυτεύmicroατα

Μπορούν να βοηθήσουν στην αναγέννηση ιστών microε την αλληλεπίδραση της

βιοαποικοδόmicroησης microε τα ανοσιολογικά κύτταρα Χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα από

αυτά τα πολυmicroερή microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν ως προσωρινά ικριώmicroατα για την

αναγέννηση ιστών Βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή έχουν χρησιmicroοποιηθεί σε

διάφορους τοmicroείς (ως χειρουργικά εmicroφυτεύmicroατα στην αγγειακή και ορθοπεδική

χειρουργική ως εmicroφυτευmicroένες microήτρες στην ελεγχόmicroενη microακροπρόθεσmicroη

αποδέσmicroευση φαρmicroάκων εντός του σώmicroατος ως απορροφόmicroενα χειρουργικά

ράmicroατα καθώς και για οφθαλmicroική και οδοντιατρική χρήση)

Με βάση τα προηγούmicroενα τα βιοϊατρικά πολυmicroερή είναι εκείνα τα συνθετικά ή

φυσικά πολυmicroερή που microπορούν να χρησιmicroοποιηθούν για όσο χρονικό διάστηmicroα

απαιτείται ολόκληρα ή ως microέρος ενός συστήmicroατος που θεραπεύει αντικαθιστά ή

επαυξάνει έναν ιστό όργανο ή microια λειτουργία του σώmicroατος

72 Πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE)

Το πολυαιθυλένιο υψηλού microοριακού βάρους (UHMWPE) είναι το υλικό

χρησιmicroοποιείται κατ εξοχήν (ενάντια στα κεραmicroικά και microεταλλικά ενθέmicroατα) για την

αντικατάσταση των φθαρmicroένων επιφανειών των κλειδώσεων τις τελευταίες τρεις

δεκαετίες Ο χρόνος ζωής του υλικού αυτού εξαρτάται από τη φθορά που παρουσιάζει το

χρησιmicroοποιούmicroενο UHMWPE καθώς και από τη microέθοδο αποστείρωσης

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

36

Αποστείρωση microε ακτίνες γ

Η ακτινοβολία γάmicroα είναι η πιο κοινή microέθοδος αποστείρωσης αλλά οδηγεί στο

σχηmicroατισmicroό ελευθέρων ριζών που καθιστούν το UHMWPE ασταθές Το οξυγόνο microπορεί

να διασκορπιστεί στο πολυmicroερές σώmicroα microε την πάροδο του χρόνου αντιδρώντας microε τις

υπάρχουσες ελεύθερες ρίζες και προκαλώντας σπάσιmicroο των αλυσίδων (microείωση microοριακού

βάρους του πολυmicroερούς) Αυτό συνοδεύεται από εσωτερικές αντιδράσεις διασύνδεσης

(οmicroοιοπολικός δεσmicroός microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων πολυmicroερούς) microε γενικό

αποτέλεσmicroα κάποιες αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες του πολυmicroερούς και κυρίως στην

απόδοση φθοράς Γενικά το σπάσιmicroο αλυσίδων θεωρείται καταστρεπτικό για το υλικό

καθώς αυξάνει την απόδοση φθοράς ενώ η διασύνδεση είναι πιθανά ευεργετική Ένα

υψηλό ποσοστό φθοράς οδηγεί στη δηmicroιουργία υπολειmicromicroάτων φθοράς (σχήmicroα 1) Η

φθορά του ενθέmicroατος έχει σαν αποτέλεσmicroα την φθορά της διεπιφάνειας οστού -

άρθρωσης Στο στάδιο αυτό η microόνη επιλογή είναι η πραγmicroατοποίηση microιας επαναληπτικής

χειρουργικής επέmicroβασης (επέmicroβαση αναθεώρησης) αλλά αυτό είναι microια δαπανηρή και

επίπονη διαδικασία Για τον λόγο αυτό απαιτείται σωστή αξιολόγηση όλων των νέων

microεθόδων επεξεργασίας και αποστείρωσης των υλικών Αυτό θα εξασφάλιζε πρόωρο

προσδιορισmicroό των αποτελεσmicroατικότερων συνδυασmicroών microεθόδων επεξεργασίας και

αποστείρωσης οι οποίοι microακροπρόθεσmicroα θα οδηγήσουν σε microείωση της απαίτησης για

microια χειρουργική επέmicroβαση αναθεώρησης

Σχήmicroα 7 Παράδειγmicroα υπολειmicromicroάτων φθοράς σε ένα ένθεmicroα UHMWPE

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

37

Μηχανισmicroοί laquoγήρανσηςraquo του UHMWPE

Η οξείδωση του UHMWPE στην πραγmicroατικότητα είναι microια σύνθετη ακολουθία

διαφόρων αλλεπάλληλων αντιδράσεων που δεν γίνεται κατανοητή πλήρως

Αξιοπερίεργο είναι το γεγονός ότι η microέγιστη οξείδωση (περιοχή ευθραυστότητας)

συνήθως εmicroφανίζεται 1-2mm κάτω από την επιφάνεια του UHMWPE και όχι στην

επιφάνεια όπου η έκθεση σε οξειδωτικά είδη είναι υψηλότερη

Στην επιφάνεια του UHMWPE η συγκέντρωση του O2 είναι microεγαλύτερη και οι

αλκυλικές ρίζες (-CH2 CH2-) (-CH2-CH-) οι οποίες παράγονται από την ακτινοβόληση

microε ακτινοβολία γ (αποστείρωση) θα αντιδράσουν και θα σχηmicroατίσουν ρίζες που φέρουν

υδροξείδιο της microορφής (-CH-O-O ή gtCH-O-O αντίστοιχα) Επιπλέον οι αλκυλικές

ρίζες microπορούν να συνδυαστούν και να σχηmicroατίσουν οmicroοιοπολικό δεσmicroό (διαδικτύωση)

Μια microεγάλη συγκέντρωση των ριζών που προαναφέρθηκαν υπάρχει στην επιφάνεια και

microπορούν να συνδυαστούν microε κετόνες προκαλώντας microια αντίδραση που δεν παράγει

περαιτέρω ελεύθερες ρίζες αποτελεί δηλαδή το τέλος της ακολουθίας των αλλεπάλληλων

αντιδράσεων Στην περιοχή κάτω από την επιφάνεια σχηmicroατίζονται λιγότερες τέτοιες

ρίζες λόγω της χαmicroηλότερης συγκέντρωσης Ο2 στην περιοχή αυτή Επειδή αυτές οι ρίζες

θα είναι χώρια θα υπάρξει microια microικρότερη τάση να αντιδράσουν η microία microε την άλλη και

microεγαλύτερη τάση να αφαιρεθούν άτοmicroα Η από τις αλυσίδες πολυαιθυλενίου microε αυτόν τον

τρόπο διαmicroορφώνονται υδροπεροξείδια και νέες ελεύθερες ρίζες Αυτό αρχίζει microια νέα

ακολουθία αλλεπάλληλων αντιδράσεων που σχηmicroατίζει καρβονυλικές οmicroάδες προκαλεί

σπάσιmicroο των αλυσίδων και δηmicroιουργεί νέες ελεύθερες ρίζες ∆εδοmicroένου ότι το οξυγόνο

διασκορπίζεται στο UHMWPE η περαιτέρω αντίδραση microε τις πρόσφατα δηmicroιουργηmicroένες

ελεύθερες ρίζες microπορεί να πραγmicroατοποιηθεί οδηγώντας τελικά σε πιο υψηλά επίπεδα

οξείδωσης σε αυτήν την περιοχή (κάτω από την επιφάνεια) έναντι της επιφάνειας

Βαθύτερα στο UHMWPE θα υπάρχει λιγότερο οξυγόνο διαθέσιmicroο για την

πραγmicroατοποίηση των παραπάνω αντιδράσεων microε αποτέλεσmicroα οι περισσότερες από τις

ρίζες να συνδυάζονται για να δηmicroιουργούν οmicroοιοπολικούς δεσmicroούς microεταξύ διαφορετικών

αλυσίδων

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

38

Μηχανική καταπόνηση

Κατά τη διάρκεια πλαστικής παραmicroόρφωσης τα microόρια του UHMWPE

προσανατολίζονται παράλληλα microε την κατεύθυνση της ασκούmicroενης δύναmicroης microε

αποτέλεσmicroα την καταπόνηση προς εγκάρσια κατεύθυνση

∆ιαδικασίες σταθεροποίησης

Η δηmicroιουργία οmicroοιοπολικών δεσmicroών microεταξύ διαφορετικών αλυσίδων του

πολυmicroερούς (διαδικτύωση) είναι αποδεδειγmicroένα ένας τρόπος για να αυξηθεί σηmicroαντικά η

αντίσταση του UHMWPE στη φθορά Η διαδικτύωση (crosslinking) επιτυγχάνεται είτε

microε την ακτινοβόληση microε ακτινοβολία γ ή microε ακτινοβολία δεσmicroών ηλεκτρονίων υπό

αδρανείς συνθήκες που ακολουθούνται από microια θερmicroική επεξεργασία είτε επάνω είτε

κάτω από το σηmicroείο τήξης του UHMWPE Κατά συνέπεια οι ελεύθερες ρίζες

διαmicroορφώνονται από την ακτινοβολία και αντιδρούν όταν θερmicroαίνονται για να παράγουν

τις διαδικτυώσεις Εναλλακτικά χηmicroική διαδικτύωση microπορεί να επιτευχθεί microε την

προσθήκη ενός υπεροξειδίου στη ρητίνη UHMWPE πριν από την ακτινοβόληση Αυτές

οι τεχνικές είναι επίσης αποτελεσmicroατικές στη βελτίωση της αντίστασης του UHMWPE

έναντι της οξείδωσης

73 Πυρίτιο ndash Πορώδες πυρίτιο

Συσκευές κατασκευασmicroένες από ηmicroιαγωγούς πυριτίου είναι διαθέσιmicroες για in vitro

εφαρmicroογές εδώ και αρκετά χρόνια Παρόλα αυτά το κοινό πυρίτιο δεν είναι βιοσυmicroβατό

γι αυτό το λόγο δεν χρησιmicroοποιείται in vivo Αντίθετα το πορώδες πυρίτιο (porous

silicon PS) έχει ιδιότητες που το καθιστούν πολλά υποσχόmicroενο βιοϋλικό ειδικά για

αισθητήριες συσκευές που πρέπει να τοποθετηθούν στο ανθρώπινο σώmicroα

Τα δύο βασικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηmicroιαγωγούς είναι οι

κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ Οι πρώτες αποτελούνται από πυρίτιο και οι

τελευταίες από αρσενίδιο του γαλλίου Από ηλεκτρονικής άποψης θα ήταν καλύτερο αν

οι κρυσταλλολυχνίες και οι δίοδοι λέιζερ κατασκευάζονταν από το ίδιο υλικό Από

βιολογικής πλευράς όmicroως η ανάγκη για νέα υλικά που θα συmicroβάλλουν στην κατασκευή

βιοσυmicroβατών συσκευών ήταν πιο επείγουσα Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι τοξικό για

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

39

τα βιολογικά συστήmicroατα και παρότι η τοξικότητα του κοινού πυριτίου δεν έχει

αποδειχθεί το υλικό αυτό είναι αδιαmicroφισβήτητα microη συmicroβατό

Η έρευνα για έναν αποτελεσmicroατικό και φωταυγή ηmicroιαγωγό που θα αντικαθιστούσε

και τις κρυσταλλολυχνίες και τις διόδους λέιζερ έκανε ένα microεγάλο βήmicroα microπροστά όταν

ανακαλύφθηκαν οι ιδιότητες του πορώδους πυριτίου Το υλικό αυτό θα microπορούσε να

είναι η γέφυρα που θα επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών microεταξύ microιας συσκευής και

ενός βιολογικού συστήmicroατος

Το πορώδες πυρίτιο ανακαλύφθηκε τυχαία Παρήχθη από την ανοmicroοιόmicroορφη

χάραξη κατά την επαφή του πυριτίου microε έναν ηλεκτρολύτη ο οποίος περιείχε

υδροφθορικό οξύ Η χάραξη αυτή είχε σαν αποτέλεσmicroα τη δηmicroιουργία ενός συστήmicroατος

σε αταξία αποτελούmicroενο από πόρους microε νανοκρυστάλλους στο εσωτερικό τους Το

πορώδες πυρίτιο εξακολουθεί να κατασκευάζεται microε τη microέθοδο microε την οποία

ανακαλύφθηκε παρότι το υδροφθορικό οξύ δεν είναι κατάλληλο για τη διαδικασία της

χάραξης αφού η επιφάνεια του πυριτίου είναι υδρόφοβη

Το πορώδες πυρίτιο είναι ένα υλικό microε ιδιαίτερη δοmicroική αταξία και microη

καθορισmicroένες ιδιότητες Κατατάσσεται στα microικροπορώδη (microέγεθος πόρων gt 50nm)

microεσοπορώδη (5 ndash 50nm) και νανοπορώδη (lt 5nm) Είναι συνήθως microονοκρυσταλλικό αν

και έχουν ανακαλυφθεί κάποιες άmicroορφες περιοχές microετά από σάρωση microε ακτίνες Χ

φασmicroατοσκοπία κατά Raman και ηλεκτρονική microικροσκοπία Αυτές οι τεχνικές δείχνουν

ότι το ποσό άmicroορφου στρώmicroατος ποικίλλει microε την οξειδωτική ηλικιακή επεξεργασία και

ανοδίωση αλλά η ακαθόριστη microικροσκοπική δοmicroή αυτή των νανοκρυστάλλων πυριτίου

που ενσωmicroατώνονται σε microια άmicroορφη microήτρα παραmicroένει

Η επιφάνεια του υλικού αυτού περιλαmicroβάνει προσmicroίξεις από τον αέρα και τη

διαδικασία της χάραξης οι οποίες επηρεάζουν τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του

υλικού και θα microπορούσαν επίσης να επηρεάσουν βιολογικά συστήmicroατα όπως ζωντανά

κύτταρα τα οποία βρίσκονται σε επαφή microε την επιφάνεια Οι πιο κοινές προσmicroίξεις που

συναντώνται είναι υδρογόνο φθόριο και οξυγόνο Τα επίπεδα του Η και του F

microειώνονται microε το χρόνο και αντικαθίστανται από οmicroάδες υδροξυλίου καθώς υδρολύονται

από το νερό του περιβάλλοντος Περίπου 1 του οξυγόνου αποικοδοmicroείται συνήθως

microέσα σε λίγα λεπτά ξήρανσης microε αέρα Μέσα σε λίγες microέρες έχουν σχηmicroατιστεί οmicroάδες Si

ndash O ndash Si O ndash Si ndash H O3 ndash Si ndash H Αυτά τα οξείδια στην επιφάνεια του πορώδους πυριτίου

παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη βιοσυmicroβατότητα του υλικού

Το πυρίτιο είναι βασικό για τα βιολογικά συστήmicroατα καθώς επηρεάζει και τη

microορφολογική εξέλιξη και τις διαδικασίες του microεταβολισmicroού Παρόλα αυτά δεν

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

40

γνωρίζουmicroε πολλά για τις βιολογικές διαδικασίες που χειρίζονται το πυρίτιο σε microοριακό

επίπεδο Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι microπορεί να εmicroφανίσει τοξικότητα αν το σύστηmicroα

εκτεθεί σε περισσότερο πυρίτιο απrsquo όσο χρειάζεται φυσιολογικά

Αν το PS αποδειχθεί microη τοξικό θα έχει πολλά πλεονεκτήmicroατα σε σύγκριση microε

άλλους ηmicroιαγωγούς όπως είναι το αρσενίδιο του γαλλίου και το αρσενίδιο του ινδίου Το

αρσενικό και το ίνδιο προκαλούν απόπτωση στα κύτταρα in vitro Επιπλέον τα κύτταρα

είναι ευαίσθητα στις τοπολογικές χηmicroικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υποστρωmicroάτων

πάνω στα οποία αναπτύσσονται Κύτταρα που έχουν καλλιεργηθεί πάνω σε microικροδοmicroές

και είναι φτιαγmicroένα microε την τεχνολογία των ηmicroιαγωγών συνήθως αναπτύσσονται σε

πυριτικές επιφάνειες καλυmicromicroένες microε microικροηλεκτροδιακές περιοχές ή και σε

microικροδιατρητές πυριτικές microεmicroβράνες microε τετράγωνους πόρους οι πόροι αυτοί έχουν

κατασκευαστεί microε ανισότροπη χάραξη και έχουν microήκος 510 ή 20 microm στην κορυφή και

αντίστοιχα 1262 ή 162 microm στον πυθmicroένα Τα κύτταρα εξαπλώνονται πάνω στους

πόρους των 5 και 10 microm αλλά αποτυγχάνουν να καλύψουν αυτούς των 20 microm

Η ικανότητα να καλλιεργηθούν κύτταρα θηλαστικών κατευθείαν πάνω σε PS σε

συνδυασmicroό microε τη φαινόmicroενη microη τοξικότητα του υλικού προσφέρει microεγάλες ελπίδες για το

microέλλον Αυτό εmicroπλέκει την ανάπτυξη νευρικών δικτύων και ηλεκτρονικών αισθητήρων

microε σήmicroατα που θα αποστέλλονται απευθείας από ένα ζωντανό σύστηmicroα σε microια συσκευή

PS Ένα άλλο πλεονέκτηmicroα είναι οι οπτικές ιδιότητες του πορώδους πυριτίου που

microπορούν να επιτρέψουν τη σύνδεση microε έναν καταγραφέα δεδοmicroένων microε χρήση οπτικών

ινών Το γεγονός αυτό θα microπορούσε να αποmicroακρύνει τον κίνδυνο ανάπτυξης

ηλεκτροmicroαγνητικών δυνάmicroεων οι οποίες επηρεάζουν τις αποκρίσεις των κυττάρων

Από το πορώδες πυρίτιο υπάρχει η δυνατότητα να προκύψουν συσκευές για

αντικατάσταση βλαβών στους ιστούς των αυτιών των microατιών του δέρmicroατος και της

ρινικής κοιλότητας Τέτοιες συσκευές θα microπορούσαν να λαmicroβάνουν οπτικές πληροφορίες

και να τις microετατρέπουν σε βιολογικό σήmicroα το οποίο θα microεταφέρεται microέσω του νευρικού

ιστού σαν υποσυνείδητη αίσθηση

74 Πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE)

Χρησιmicroοποιήθηκε για πρώτη φορά στο τέλος της δεκαετίας του 1970 για

αντικατάσταση της άρθρωσης της κάτω γνάθου Η άρθρωση αυτή είναι απαραίτητη για

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

41

την οmicroιλία την microάσηση και την κατάποση και αν καταστραφεί σε κάποιον τραυmicroατισmicroό

η αντικατάστασή της είναι απαραίτητη

Θεωρητικά το PTFE αυτό αποτελούσε microια πολύ κατάλληλη επιλογή ως υλικό για

ενθέmicroατα λόγω του χαmicroηλού συντελεστή τριβής του Παρόλα αυτά όmicroως τα

περισσότερα εmicroφυτεύmicroατα αυτού του τύπου που χρησιmicroοποιήθηκαν σε ασθενείς

απέτυχαν

Ο microικρός συντελεστής τριβής του υλικού αυτού οφείλεται σε ένα λεπτό υmicroένιο του

υλικού το οποίο microεταφέρεται συνεχώς στην επιφάνεια Παρότι το υmicroένιο αυτό δρα σαν

λιπαντικό λόγω της διαmicroόρφωσής του υποβάλλει το υλικό σε έναν microηχανισmicroό φθοράς

Στην περίπτωση των εmicroφυτευmicroάτων αυτών οι γειτονικοί ιστοί κατακλύζονται από

θραύσmicroατα τα οποία προέρχονται από φθορά και το ανοσοποιητικό σύστηmicroα αντιδρά microε

οστεόλυση προκαλώντας microαζική καταστροφή της άρθρωσης και του περιβάλλοντος

ιστού

75 Πολυχλωριούχο βινύλιο PVC Είναι ένα άmicroορφο άκαmicroπτο πολυmicroερές microε θερmicroοκρασία υαλώδου microεταπτώσεως

75-1050C Το PVC έχει υψηλό ιξώδες τήγmicroατος και για αυτό είναι δύσκολο να υποστεί

επεξεργασία Για να εmicroποδιστεί η θερmicroική αποικοδόmicroηση του πολυmicroερούς (καθόσον

αποσπάται HCl) ενσωmicroατώνονται θερmicroικοί σταθεροποιητές όπως microεταλλικοί σάπωνες ή

άλατα Επίσης ενσωmicroατώνονται υλικά για να εmicroποδιστεί η πρόσφυση του πολυmicroερούς

στις microεταλλικές επιφάνειες των microηχανών επεξεργασίας ∆ι-2-αιθυλοεξυλοφθαλικός

εστέρας χρησιmicroοποιείται σε συνθέσεις του PVC για ιατρικές εφαρmicroογές Παρόλα αυτά οι

πλαστικοποιητές του τριοκτυλοτριmicroελλιτικού εστέρα πολυεστέρας αζελαϊκός εστέρας

φωσφορικός εστέρας χρησιmicroοποιούνται για να εmicroποδιστεί η εκχύλιση από το αίmicroα PVC

σωλήνες χρησιmicroοποιούνται συνήθως σε διατάξεις διϋλίσεως καθετήρες κλπ

76 Πολυπροπυλένιο ΡΡ Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 085-098 grcm3 Η θερmicroοκρασία υαλώδους

microεταπτώσεως είναι Τg=-120C και η θερmicroοκρασία τήξεως είναι Τm=125-1670C Το microέσο

microοριακό βάρος του εmicroπορικού ΡΡ είναι microεταξύ 220000-700 ενώ παρουσιάζει ευρεία

κατανοmicroή microοριακών βαρών (πολυδιασπορά) microε δείκτη διασποράς ΜwMn=26-12 Για

την διευκόλυνση της επεξεργασίας του και για την βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων του

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

42

προστίθονται λιπαντικά αποκολλητικά αντιοξειδωτικά σταθεροποιητές φωτός κλπ

Έχουν γίνει προσπάθειες για την χρήση του ΡΡ για προσθετικούς συνδέσmicroους δακτύλων

microε κατάλληλη χύτευσή του Χρησιmicroοποιείται για την κατασκευή υποθερmicroικών συρίγγων

microεmicroβρανών οξυγονώσεως του αίmicroατος ράmicroατα τmicroήmicroατα τεχνητών αγγείων κλπ

77 Πολυmicroεθακρυλικό microεθύλιο PMMA Είναι ένα άmicroορφο υλικό microε καλή αντίσταση σε αραιά αλκάλια και άλλα ανόργανα

διαλύmicroατα Η πυκνότητά του κυmicroαίνεται microεταξύ 115-195 grcm3 ενώ έχει Τg=1050C το

PMMA είναι γνωστό για την πολύ καλή διαπερατότητα του από το φως (92

διαπερατότητα) τον υψηλό δείκτη διάθλασης (149) τις καλές ιδιότητες στον

laquoπολυκαιρισmicroόraquo και την εξαιρετική βιοσυmicroβατότητά του Χρησιmicroοποιείται ευρέως σε

ιατρικές εφαρmicroογές όπως σε αντλίες αίmicroατος microεmicroβράνες για διΰληση αίmicroατος και

διαγνωστικά in vitro Επίσης χρησιmicroοποιείται σε εmicroφυτευόmicroενους οφθαλmicroικούς φακούς

λόγω των εξαιρετικών οπτικών ιδιοτήτων του σε οδοντιατρικά και γναθικά προσθετικά

λόγω των καλών φυσικών και χρωmicroατικών ιδιοτήτων του και σε τσιmicroέντα οστών για

σταθεροποίηση συνδέσmicroων

78 Πολυτερεφθαλικό αιθυλένιο ΡΕΤ

Είναι το πιο σπουδαίο από την οmicroάδα των πολυεστέρων και χρησιmicroοποιείται για

την κατασκευή τεχνητών αγγείων και ραmicroάτων Το ΡΕΤ είναι υψηλής κρυσταλλικότητας

microε υψηλή θερmicroοκρασία τήξεως (Τm=2650C) Είναι υδρόφοβο και ανθεκτικό σε υδρόλυση

από αραιά οξέα

79 Ελαστοmicroερή

Οι σιλικόνες τα φυσικά και συνθετικά ελαστικά έχουν χρησιmicroοποιηθεί για την

κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων Έχει διαπιστωθεί ότι το φυσικό ελαστικό είναι συmicroβατό microε το

αίmicroα στην καθαρή microορφή του

Συνθετικά ελαστικά έχουν αναπτυχθεί για να υποκαταστήσουν το φυσικό

ελαστικό Παρόλα αυτά σπάνια έχουν χρησιmicroοποιηθεί για κατασκευή εmicroφυτευmicroάτων

Ελαστικά σιλικόνης ιατρικού τύπου περιλαmicroβάνει οκτυλικό κασσίτερο ως καταλύτη και

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

43

microπορούν να αναmicroειχθούν microε βασικό πολυmicroερές κατά τον χρόνο κατασκευής του

εmicroφυτεύmicroατος

710 Πολυουρεθάνες

Είναι συνήθως θερmicroοσκληρυmicroένα πολυmicroερή που χρησιmicroοποιούνται ευρέως για

επικάλυψη εmicroφυτευmicroάτων Πολυουρεθανικά ελαστικά παράγονται microε αντίδραση ενός

παρασκευασmicroένου προπολυmicroερούς microε microια αρωmicroατική διϊσοκυανική ένωση για να

δηmicroιουργηθούν microεγάλου microήκους microακροmicroόρια που κατέχουν δραστικές ισοκυανικές

οmicroάδες για διασταύρωση Το πολυουρεθανικό ελαστικό είναι αρκετά ισχυρό και έχει

καλή αντίσταση σε έλαια και χηmicroικά

88 ΙΙννώώδδηη ΒΒιιοοϋϋλλιικκάά

81 Εισαγωγή

Από την δεκαετία του 1950 αυξήθηκε σηmicroαντικά η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών

στη χειρουργική και στην ιατρική γενικότερα Αυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο

του τοmicroέα των συνθετικών ινών της κλωστουφαντουργίας και των τεχνικών

αποστειρώσεως καθώς και στην ανάπτυξη προηγmicroένων χειρουργικών διαδικασιών

82 Κριτήρια για χρήση ινωδών υλικών

Η χρησιmicroοποίηση ινωδών υλικών ως βιοιατρικά προιόντα απαιτεί να

ικανοποιούνται γενικά και ειδικά κριτήρια Τα γενικά κριτήρια περιλαmicroβάνουν την

αποδεκτή καθαρότητα της σύνθεσή τους τη microη τοξικότητα τη microη πρόκληση αλλεργίας

και καρκινογενέσεως και την ικανότητα να αποστειρώνονται τα υλικά χωρίς ή microε

ελάχιστη microεταβολή των χηmicroικών και φυσικών ιδιοτήτων τους Για τα υλικά που

χρησιmicroοποιούνται ως ράmicromicroατα υπάρχουν ειδικά κριτήρια σχετικά microε την διατήρηση των

ιδιοτήτων τους σε εφελκυσmicroό και της φυσικής παρουσίας τους στις εmicroφυτευθείσες θέσεις

Ινώδη υλικά που προορίζονται για την παραγωγή καρδιοαγγειολογικών προσθε-

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

44

τικών εξαρτηmicroάτων δεν πρέπει

α) να είναι θροmicroβογενετικά

β) ούτε καταστρεπτικά για το αίmicroα τα κύτταρα και τα ένζυmicroα

γ) ούτε να προκαλούν αφαίmicroαξη ηλεκτρολυτών του αίmicroατος

δ) ούτε να έχουν αντίθετη ανοσιολογική απόκριση

ε) να microη microεταβάλλουν τις πρωτείνες του πλάσmicroατος και

στ) να microη προκαλούν βλάβες στους γειτονικoύς ιστούς

Σε ορισmicroένες καρδιοαγγειολογικές εφαρmicroογές το υλικό απαιτείται να έχει υψηλό

βαθmicroό ελαστικότητας (elasticity) άριστη περιοχή αντοχής εφελκυσmicroού και άριστο

επίπεδο ελαστικότηταςαναπηδήσεως (resilience) και αντοχής κοπώσεως (fatigue)

∆εδοmicroένου ότι το αίmicroα είναι ένα από τα πλέον εχθρικά περιβάλλοντα έναντι των

υλικών θα πρέπει το καρδιοαγγειολογικό εξάρτήmicroα να διατηρεί τις επιθυmicroητές χηmicroικές

και φυσικές ιδιότητές του κατά την διάρκεια της λειτουργίας του Η διατήρηση ενός

ορισmicroένου επιπέδου τιmicroών των microηχανικών ιδιοτήτων για την επιθυmicroητή περίοδο

εmicroφυτεύσεως είναι ένα από τα πλέον σηmicroαντικά κριτήρια στις συσκευές υποστηρίξεως

που υπόκυνται σε υψηλές πιέσεις και τριβές όπως στα ορθοπεδικά χρησιmicroοποιούνται

σύνθετα υλικά ενισχυmicroένα microε ίνες Υλικά που χρησιmicroοποιούνται σε εmicroβολιασmicroούς

(graft)αντικαταστάσεις συνθετικών αγγείων πρέπει να παρουσιάζουν ορισmicroένο πορώδες

και ελαστικότητα

83 Κατηγορίες και microορφές ινωδών υλικών

∆ιακρίνονται δύο κατηγορίες ινωδών υλικών οι οργανικές και οι ανόργανες κατά

αναλογία προς την διάκριση των πολυmicroερών σε οργανικά και ανόργανα

Στη κατηγορία των οργανικών ινών υπάγονται οι ίνες οργανικών πολυmicroερών ή

αυτές που microπορούν να παραχθούν από οργανικά πολυmicroερή όπως στη περίπτωση των

ινών άθρακα Η κατηγορία των ανοργάνων ινών περιλαmicroβάνει τις microεταλλικές (πχ

ανοξείδωτος χάλυβας) ή τις κεραmicroικές ίνες

Στη κατηγορία των ανοργάνων ινών που προορίζονται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

υπάγονται και αυτές που προέρχονται από πολυφωσφαζένια (polyphosphazenes) όπου ο

κορmicroός της αλυσίδας (του microακροmicroορίου) αποτελείται από φωσφόρο και άζωτο Ο γενικός

τύπος αυτών των πολυmicroερών είναι

Ανάλογα microε την χηmicroική δοmicroή των πλευρικών οmicroάδων R και R τα πολυmicroερή

παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσmicroα ιδιοτήτων Μερικά microέλη αυτής της κατηγορίας

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

45

πολυmicroερών είναι απορροφητικά υλικά

Ακολούθως εξετάζεται λεπτοmicroερέστερα η κατηγορία των οργανικών ινών που

χρησιmicroοποιούνται για βιοιατρικές εφαρmicroογές

Οι ίνες φυσικής προελεύσεως-περιλαmicroβάνουν τις ίνες φυσικών προιόντων (natural

products) (κυτταρίνη πρωτείνες χιτίνη (chitin) κλπ) και τις τεχνητές ίνες (artificial ή

man-made) Οι τελευταίες προέρχονται από φυσικά προιόντα (όπως είναι τα

προηγούmicroενα) που τροποποιούνται χηmicroικά (πχ αναγεννηmicroένη κυτταρίνη ή οξική

κυτταρίνη που προέρχονται από κυτταρίνη) Πέραν αυτών υπάρχουν και οι

πλήρωςπραγmicroατικά συνθετικές (truly synthetic) ίνες από συνθετικά πολυmicroερή δηλ από

πολυmicroερή που παράγονται microε πολυmicroερισmicroό microονοmicroερών

Οι πλέον εύχρηστες ίνες για βιοιατρικές εφαρmicroογές είναι οι κυτταρινικές ίνες που

προέρχονται από βαmicroβάκι ή από ξυλοπολτό (wood pulp) Η αναγεννηmicroένη κυτταρίνη και

η οξική κυτταρίνη χρησιmicroοποιούνται λιγότερο από την φυσική κυτταρίνη Ινες χιτίνης

χρησιmicroοποιούνται ως απορροφητικά ράmicromicroατα και παράγονται από ινοποίηση από

διάλυmicroα της χιτίνης ή καταάλληλων παραγώγων της Για microερικές δεκαετίες χρησιmicroο-

ποιήθηκε αναγεννηmicroένο κολλαγόνο (regenerated collagen) για παραγωγή ινών

κολλαγόνου που χρησιmicroοποιήθηκαν κυρίως ως απορροφητικά ράmicromicroατα Το microετάξι ως

ένα φυσικό πολυπεπτίδιο χρησιmicroοποιείται κυρίως για την παραγωγή χειρουργικών

ραmicromicroάτων

Οι συνθετικές ίνες microε εξαίρεση αυτές που παράγονται από συνθετικά

απορροφητικά πολυmicroερή δεν παράγονται ειδικά για βιοιατρικές εφαρmicroογές Συνεπώς η

βιοιατρική βιοmicroηχανία βασίζεται σε ίνες που παραδοσιακά κατασκευάζονται από την

κλωστουφαντουργία Πάντως προκειmicroένου για βιοιατρικές εφαρmicroογές συνθετικών ινών

πρέπει κανείς να εξετάζει την καταλληλότητα των χρησιmicroοποιούmicroενων προσθέτων

(αντιστατικά χρωστικές αντιοξειδωτικά φωτοσταθεροποιητές κλπ) που προστίθενται

κατά την microορφοποίηση του πολυmicroερούς

Μεταξύ των βιοαποικοδοmicroήσιmicroων πολυmicroερών το πολυγλυκολικό (polyglycolide

PG) ή πολυ(γλυκολικό οξύ) (polyglycolίc acid PGA) είναι το σπουδαιότερο διότι τα

περισσότερα από τα άλλα βιοαποικοδοmicroήσιmicroα πολυmicroερή προέρχονται από το PG ή microέσω

συmicroπολυmicroερισmicroού όπως Πχ το συmicroπολυmicroερές πολυ(γλυκολικό - L-λακτίδιο)

poly(glycolίde - L-Iactide) ή ως τροποποιηmicroένα γλυκολικά microονοmicroερή (glycolίde

monomer) Πχ πολυ(Ρ-διοξανόνη) (poly-p-dioxanone) Η παραγωγή του PGA γίνεται microε

πολυmicroερισmicroό του γλυκολικού οξέος (glycolic acid) HO-CH2-COOH microε άmicroεση ή έmicromicroεση

microέθοδο Η άmicroεση πολυσυmicroπύκνωση οδηγεί σε προϊόντα χαmicroηλού microοριακού βάρους (Μη lt

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

46

10000) λόγω της απαιτήσεως πολύ υψηλού βαθmicroού αφυδατώσεως (dehydration) πάνω

από 9928 και της απουσίας microονοδραστικών ακαθαρσιών Για την παραγωγή PGA

υψηλότερου microοριακού βάρους από 10000 είναι αναγκαία η εφαρmicroογή εmicromicroέσου microεθόδου

η οποία αφορά τον πολυmicroερισmicroό ανοίγmicroατος δακτυλίου του κυκλικού διmicroερούς του

γλυκολικού οξέος microε την βοήθεια κατάλληλου καταλύτη

Το πολυ(γαλακτικό οξύ) (PLA) παράγεται microε σταδιακό πολυmicroερισmicroό (πολυσυmicro-

πύκνωση) του γαλακτικού οξέος (Iactic acid) ή 2-υδροξυ-προπιονικού οξέος ή α-υδροξυ-

προπανικού οξέος

Το γαλακτικόν οξύ (1actic acid) CH3CH(OH)COOH περιέχει ασύmicromicroετρο άτοmicroο

άνθρακα και έχει τις D και L ισοmicroερείς microορφές Το D(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται

από διάφορα σάκχαρα microέσω ζυmicroώσεως Το L(+) γαλακτικόν οξύ ανευρίσκεται ως

κανονικόν συστατικόν των microυών ενώ η ποσότητά του αυξάνεται κατά την εργασία του

microυός Το L(-) γαλακτικόν οξύ σχηmicroατίζεται από το γλυκογόνο Κατά την ανάπαυση του

microυός το γαλακτικόν οξύ που έχει σχηmicroατισθεί κατακαίεται κατά το 13 και

ανασυντίθεται προς γλυκογόνον κατά τα 23 Προκειmicroένου για την παραγωγή πολυmicroερούς

PLA microε υψηλότερο microοριακό βάρος χρησιmicroοποιείται το διλακτίδιο του γαλακτικού οξέος

στο οποίον γίνεται πολυmicroερισmicroός ανοίξεως δακτυλίου κατ αναλογία microε όσα

αναφέρθηκαν προηγουmicroένως για το PGA (Ο συmicroβολισmicroός L είναι ισοδύναmicroος microε αυτόν

ως Ι ενώ οmicroοίως το D ισοδυναmicroεί microε d)

Η πολυγλακτίνη 910 (polyglactin 910) ή συmicroπολυmicroερές 1090 πολυ[L(-) λακτιδίου-

cο-γλυκολιδίου] [poly(L( - )lactide-co-glycoIίde] ή απλώς πολυγλακτίνη (polyglactin)

είναισυmicroπολυmicroερές τυχαίας δοmicroής το οποίον παράγεται από τα δύο αντίστοιχα microονοmicroερή

microε τηναναφερόmicroενη microοριακή αναλογία τροφοδοσίας (γλυκολίδιο ανά λακτίδιο = 91

molmol) Το προϊόν αυτό της Ethicon έχει την εmicroπορική ονοmicroασία Vicryl

Η πολυ(π-διοξανόνη) [poly(p-dioxanone) PDS] παράγεται από την γλυκολιδική

οικογένεια για καλύτερη ετκαmicroψία microε πολυmicroερισmicroό λακτονών που περιέχουν αιθερική

οmicroάδα l4-διξάνη - 25διόνη [l4-dioxane -25-dione] δηλ π-διοξανόνη (p-dioxanone) microε

διεγέρτη υδροξυλίου και καταλύτη κασσίτερο Κατά συνέπεια το PDS είναι ένας

πολυαιθερικός εστέρας Η βελτιωmicroένη ευκαmicroψία του PDS σε σχέση microε το PGA προκύπτει

από την χαmicroηλότερη θερmicroοκρασία υαλώδους microεταπτώσεώς του (Τ g) λόγω της

ενσωmicroατώσεως της αιθερικής οmicroάδος microέσα στη δοmicroική microονάδα που έχει ως αποτέλεσmicroα

της την ελάττωση πυκνότητας των εστερικών συνδέσεων για τις διαmicroοριακές γέφυρες

(δεσmicroούς) υδρογόνου Το PDS αναmicroένεται και πράγmicroατι διαπιστώνεται ότι

αποικοδοmicroείται microε microία χαmicroηλότερη ταχύτητα in vitro και in νίνο

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

47

Τα ΡΟΑ PDS και polyglactin 910 χρησιmicroοποιούνται για την παραγωγή

απορροφητικών ινών

Μερικά εmicroπορικά συνθετικά πολυmicroερή που παράγονται για εφαρmicroογές άλλες από

αυτές των βιοιατρικών microετατρέπονται microε ειδικές τεχνικές επεξεργασιών σε βιοιατρικά

χρήσιmicroες microορφές (ίνας microικροπορώδους και σωληνοειδούς microορφής) Τα σπουδαιότερα

από αυτά τα πολυmicroερή είναι το τεφλόν (ως microικροπορώδες ύφασmicroα ή microεmicroβράνες) το

πολυπροπυλένιο (ως microικροπορώδεις microεmicroβράνες ή κοίλες ίνες hollow fibers) και το

πολυακρυλονιτρίλιο (ως κοίλες ίνες)

84 Μετατροπή ινών σε δραστικά συστήmicroατα

Κατασκευαστές βιοϊατρικών προϊόντων συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων και αυτών που

βασίζονται σε ινώδη υλικά πρέπει να εφαρmicroόζουν ορισmicroένους κανόνες σε όλα τα βήmicroατα

που οδηγούν στη παραγωγή δραστικώνλειτουργικών (functiona1) αντικειmicroένων και στις

διαδικασίες του ελέγχου και της αξιολογήσεως Αυτοί οι κανόνες περιγράφονται σε

κανονισmicroούς και πρότυπα διαφόρων οργανισmicroών (ASTM USPhannacopeia Food and

Drug Administration The Bureau of Medical Devices κλπ) Πολλοί από αυτούς τους

κανονισmicroούς αφορούν τον χειρισmicroό (handling) τον χαρακτηρισmicroό και τον έλεγχο

(testing) βιουλικών και microορφοποιηmicroένων αντικειmicroένων από αυτά και την τεκmicroηρίωση

σχετικών δεδοmicroένων

Επειδή όλα τα βιοϊατρικά αντικείmicroενα αναmicroένεται να είναι άσηπτα πρέπει κανείς

να φροντίζει για την αποστείρωση και την συσκευασία τους υπό άριστες συνθήκες

Προκειmicroένου για την συσκευασία microία από τις σπουδαιότερες απαιτήσεις αφορά την

διατήρηση των λειτουργικών ιδιοτήτων της Ετσι πχ χρειάζεται η διατήρηση ερmicroητικών

στεγανώσεων κατά την διάρκεια και microετά από την αποστείρωση των συσκευασmicroένων

αντικειmicroένων

Για ένα συγκεκριmicroένο σύστηmicroα πρέπει να εξετάζεται η πλέον κατάλληλη τεχνική

αποστειρώσεως Θέρmicroανση σε ξηρή ή υγρή ατmicroόσφαιρα (σε αυτόκλειστο) είναι αξιόπιστη

και οικονοmicroική microέθοδος Αυτή χρησιmicroοποιείται κρίως για συστήmicroατα κυτταρίνης αλλά

όχι για αντικείmicroενα που έχουν κατασκευασθεί από θερmicroοπλαστικά υλικά microε χαmicroηλό

σηmicroείο υαλώδους microεταπτώσεως Εάν οι ίνες είναι υδρολυτικά ασταθείς τότε αποκλείεται

η αποστείρωση microε αυτόκλειστο Η αποστείρωση microε αέριο συνήθως βασιζόmicroενο σε

αιθυλενοξείδιο microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί αποτελεσmicroατικά σε σχετικά χαmicroηλές

θερmicroοκρασίες Το κύριο microειονέκτηmicroα της αποστειρώσεως microε αέριο είναι α) η

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

48

αναγκαιότητα να αποmicroακρυνθούν τα αποmicroένοντα αέρια στα αντικείmicroενα microετά την

αποστείρωσή τους και β) η δυσκολία ελέγχου της διαδικασίας αποστειρώσεως λόγω της

σηmicroαντικής εξαρτήσεως από την θερmicroοκρασία την υγρασία και την συγκέντρωση του

αερίου Μερικά χειρουργικά προιόντα που παρασκευάζονται από ίνες κυτταρίνης και

πολυπροπυλενίου αποστειρώνονται microε αιθυλενοξείδιο Προκειmicroένου όmicroως να

ελαττώνεται ο χρόνος εκθέσεως του νοσοκοmicroειακού προσωπικού σε χηmicroικά

αντιδραστήρια περιορίζεται η χηmicroική αποστείρωση microε απολύmicroανση

Η χρησιmicroοποίηση αερίου για αποστείρωση πλάσmicroατος ευρίσκεται ακόmicroη στο

στάδιο της έρευνας και της αναπτύξεως Η πλέον υποσχόmicroενη microέθοδος για την

αποστείρωση αφορά την χρήση ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας συνήθως γ-ακτινοβολίας

που εκπέmicroπεται από πηγή 60Co Εχει καταγραφεί ότι microία τυπική δόση των 25 Mrad

παρουσιάζει αξιοπιστία microπορεί εύκολα να ελεχθεί σε microία συνεχή διαδικασία και επίσης

επιτρέπει microία ευρύτερη επιλογή υλικών συσκευασίας Από την άλλη microεριά υπάρχουν

microερικά microειονεκτήmicroατα αυτής της microεθόδου Τα σπουδαιότερα από αυτά αφορά στην

αποικοδόmicroηση των microακροmicroορίων πολλών πολυmicroερών πράγmicroα που οδηγεί σε

ανεπιθύmicroητες microεταβολές των φυσικών και microηχανικών ιδιοτήτων των βιοιατρικών

αντικειmicroένων ΄Ενα άλλο microειονέκτηmicroα αφορά την εφαρmicroογή αυτής της microεθόδου σε

παραγωγή χαmicroηλού όγκου όπου το κόστος της συνολικής διαδικασίας για την

ακτινοβολία καθιστά σχετικά ακριβή την αντίστοιχη αποστείρωση

85 Βιοαπορροφητικές ίνες και βασικές εφαρmicroογές ινωδών υλικών

΄Ενα βιοαπορροφήσιmicroο πολυmicroερές προκειmicroένου να microπορεί να χρησιmicroοποιηθεί ως

ίνα πρέπει να είναι ινοποιήσιmicroο και να έχει υψηλή αντοχή εφελκυσmicroού και συνεπώς

πρέπει να έχει κρυσταλλικότητα (microε την οποία αυξάνονται γενικά οι microηχανικές ιδιότητες)

Η απαίτηση της κρυσταλλικότητα επιβάλλει microεγάλους περιορισmicroούς για την επιλογή ενός

πολυmicroερούς ως βιοαπορροφήσιmicroης ίνας Αυτός είναι ο λόγος γιατί microόνο λίγα πολυmicroερή

έχουν χρησιmicroοποιηθεί κλινικά ή ευρίσκονται υπό ανάπτυξη ως βιοαπορροφήσιmicroες ίνες

Τέτοια πολυmicroερή είναι κολλαγόνα αναγεννηmicroένα ή microη συνθετικά πολυπεπτίδια

οξειδωmicroένη κυτταρίνη χιτίνη πολυ( -β-υδροξυβουτυρικός εστέρας) και πολυλακτίδια

[πολυ(γλυκολικό οξύ) πολυ(L-λακτικό οξύ) και τα συmicroπολυmicroερή τους]

Τα βιοαπορροφήσιmicroα ινώδη υλικά έχουν microία microεγάλη ποικιλία ιατρικών εφαρmicroογών

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet

49

microε διάφορες microορφές συmicroπεριλαmicroβανοmicroένων συνεχείς κλωστές και βρόχους (δικτυωτά microε

οπές)

99 ΕΕππίίλλοογγοοςς Η έρευνα για τα βιοϋλικά αποτελεί ένα συναρπαστικό και ραγδαία εξελισσόmicroενο

πεδίο Οι δικαστικές υποθέσεις εναντίον των κατασκευαστών ιατρικών συσκευών για

αναmicroόρφωση των διαδικασιών έγκρισης του FDA οι προσδοκίες των ασθενών και η

κίνηση αναmicroόρφωσης της ιατρικής περίθαλψης αλλάζουν το microέλλον της κοινότητας των

ιατρικών συσκευών και ενθεmicroάτων και διαmicroορφώνουν νέες κατευθύνσης στην έρευνα για

τα βιοϋλικά Σαν αποτέλεσmicroα τα νέα υλικά ανταποκρίνονται όλο και περισσότερο στις

προσδοκίες του FDA Ένα άλλο σηmicroαντικό ζήτηmicroα που δεν θίγεται συχνά είναι η

κατασκευή βιοϋλικών που ως ενθέmicroατα θα λειτουργούν πανοmicroοιότυπα microε τα βιολογικά

συστήmicroατα που θα αντικαθιστούν και θα κρατούν για πάντα

Τέλειο θα microπορούσε να θεωρηθεί το βιοϋλικό το οποίο εκτός από βιοσυmicroβατότητα

θα παρουσιάζει microεγάλη οmicroοιότητα microε τις φυσικές ιδιότητες των ιστών ή άλλων

βιολογικών συστηmicroάτων που πρέπει να αντικατασταθούν ή να επιδιορθωθούν Επί

παραδείγmicroατι κεραmicroικές απικαλύψεις σε microαταλλικά οδοντικά ενθέmicroατα microπορούν να

microιmicroιθούν την υφή και την εmicroφάνιση των φυσικών δοντοστοιχιών

Τα microελλοντικά βιοϋλικά θα συmicroπεριλαmicroβάνουν βιολογικούς παράγοντες όπως η

ανάπτυξη του οστού κατευθείαν πάνω στην επιφάνεια του ενθέmicroατος ώστε να

βελτιωθούν η βιοσυmicroβατότητα και η βιοενεργότητα Νέες microαλέτες θα επικεντρωθούν

στην ανάπτυξη βιοϋλικών microε βελτιωmicroένη microηχανική αντοχή αντίσταση στη διάβρωση και

βιοσυmicroβατότητα

1100 ΒΒιιββλλιιοογγρρααφφίίαα 1 Θ Σκουλικίδη και Π Βασιλείου laquo∆ιάβρωση και προστασία υλικώνraquo Εκδόσεις Συmicroεών

Αθήνα 2000

2 Ι Σιmicroιτζής και Γ Τσαγκάρης laquoΥλικά ΙΙraquo Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα Σεπτέmicroβριος 2005

3 ∆ικτυακοί τόποι που χρησιmicroοπαιήθηκαν

wwwazomcom

wwwbiotechcom

wwwstainless-steel-worldnet