Materiály v regenerativní medicíne

			Samostatná práce
			Tento článek je editován studenty 2. LF UK v rámci plnění jejich studijních povinností (seminární práce – vypracování zkouškových otázek z biofyziky). Ostatní uživatele prosíme, nezasahujte výrazněji do jeho tvorby až do doby, než bude práce odevzdána (s výjimkou malých editací – opravy překlepů, pomoci s formátováním apod.). Máte-li nějaké náměty či připomínky, uveďte je prosím v diskusi. V případě potřeby kontaktujte autory stránky – naleznete je v historii.
			Stránka byla naposledy aktualizována v úterý 2. 2. 2021 v 13.08.

Materiály používané v regeneratívnej medicíne a tkanivovom inžinierstve sú používané nielen ako náhrada za poškodené alebo chýbajúce tkanivo, ale aj ako opora pre okolité tkanivá a bunky. Tieto materiály by nemali byť len pasívne tolerované bunkou, ale mali by aj aktívne podporovať rast, diferenciáciu a iné funkcie a procesy odohrávajúce sa priamo v bunke alebo jej okolí. Musia byť biokompatibilné, biodegradovateľné a v prípade degradácie bez problémov vylúčiteľné von z organizmu. Z fyzikálnych vlastností je dôležitá hlavne mechanická pevnosť alebo elasticita, ďalšie sa odvíjajú od miesta aplikácie a buniek v danom mieste sa vyskytujúcich. Materiály používané v regeneratívnej medicíne môžeme rozdeliť do 3 základných skupín:

• Polyméry
• Kovy
• Keramika

Polymérové implantáty

Syntetické polyméry

Najčastejšie používané materiály sú polyméry, pretože práve z nich sa vyrábajú Scaffoldy, alebo „nosiče“, ktoré sú dnes základom pre regeneratívnu medicínu. Veľkou výhodou ale aj nevýhodou polymérov je ich ľahká spracovateľnosť. Napríklad silikóny sú prispôsobivé a spracovateľné, ale časom degradovateľné. Pri polyméroch je veľmi dôležité ich chemické zloženie. Len malá zmena v postrannom reťazci alebo priamom reťazci môže ovplyvniť požadované vlastnosti, napr. výmena jedného z uhlíkov v polyetyléne za síru, alebo kyslík spôsobí oveľa väčšiu flexibilitu materiálu. Zo syntetických polymérov sú najviac využívané polyetylén, ktorý má 2 rôzne druhy HDPE (high density polyethene) a LDPE (low density polyethene), polypropylén, polymetylmetakrylát (PMMA), alebo polyamidy.

Vlastnosti/Polymér	LDPE	Nylon	PMMA	HDPE
Hustota (g/cm3)	0,90–0,92	1,14	0,90–0,91	0,92–0,96
Pevnosť v ťahu (MPa)	7,6	76	28–36	23–40
Predĺženie (%)	150	90	400–900	400–500

V tabuľke sú porovnané fyzikálne vlastnosti jednotlivých polymérov. Nylon má omnoho väčšiu pevnosť v ťahu ako Polyetylény aj PMMA, a teda bude vhodnejším materiálom pre tkanivá, ktoré sa nesmú porušiť pri vyššom napätí. HDPE sa nerozvetvuje a tým pádom je charakteristický silnými medzimolekulovými silami. Má podstatne vyššiu pevnosť v ťahu ako LDPE,a preto je používaný ako materiál na výrobu ortopedických implantátov, hlavne tých, na ktoré je aplikovaná veľká záťaž napr. bedrový kĺb. PMMA výborne prepúšťa svetlo a využíva sa pri výrobe intraokulárnych šošoviek, ale aj pri voperovaní kĺbnych implantátov ako kostný cement, ktorý z jednej strany adheruje k implantátu a zo strany druhej na kostné tkanivo. Z biodegradovateľných polymérov je určite dôležité spomenúť PLGA, čo je vlastne kopolymér tvorený kyselinou mliečnou a kyselinou glykolovou. PLGA je veľmi pevný polymér a zároveň je netoxický, takže produkty jeho degradácie môže telo bez problémov spracovať a vylúčiť.

Kovy

RTG pacienta s implantátom v bedrovom kĺbe

Kovy sú síce najekonomickejším materiálom, ale môžu spôsobovať širokú škálu nepriaznivých efektov. V prvom rade sú veľmi vzdialené od materiálov, ktoré sa bežne vyskytujú v ľudskom organizme a z toho vyplýva, že nie sú biodegradovateľné a aj ich biokompatibilita je značne nižšia. Jednou z najväčších nevýhod je sklon kovov ku korózii, čo je v tele absolútne neprijateľné. Rôzne kovové zliatiny nájdu využitie v náhradách kĺbov, či v zubných koreňových implantátoch.

Jedným z prvých vôbec použitých kovov bola vanádová oceľ, neskôr do nej boli pridávané rôzne prímesi za účelom eliminácie nežiadúcich vlastností, napr. už spomínanej korózie - vytvárali sa zliatiny. Medzi najviac používané zliatiny patria: nehrdzavejúca oceľ typu Cr–Ni–Mo, zliatiny titánu, a zliatiny ušľachtilých kovov. Kovy boli a aj dodnes sú používané pre svoje skvelé mechanické vlastnosti. Jednou z nich je Youngov modul, alebo modul pružnosti v ťahu, kde Co–Cr zliatina môže dosahovať hodnoty až do 253 GPa. Spolu s týmto modulom pružnosti stúpa aj tuhosť materiálu, ktorá v prípade kostných náhrad je dokonca vyššia ako v pôvodnej kosti, čo môže mať nepriaznivé prejavy pri nárazovej záťaži. Pevnosť kovov sa odvíja od ich kryštalickej štruktúry. V tuhom stave sú ich atómy symetricky usporiadané v kryštalickej mriežke, ktorá môže mať rôzne poruchy a medzi atómami pôsobia väzbové sily s rôznou energiou.

Titán a jeho zliatiny sa javí ako jeden z najlepších kovových materiálov pre implantáty všeobecne. Je inertný, nekoroduje na vzduchu ani vo vode, oproti ostatným kovom má nízku tepelnú vodivosť, je veľmi plastický a jeho pevnosť v ťahu dosahuje hodnoty 220–260 MPa. Nie je tak pevný ako oceľ, ale jeho pevnosť sa dá prudko zvýšiť len malým množstvom pridaných kovov, napr. hliníka alebo vanádu. Nie je schopný vytvárať ochrannú pasívnu poréznu vrstvu na povrchu, preto môžeme pozorovať stmavnutie tkaniva v okolí implantátu, ktoré je však netoxické.

Keramické implantáty

Implantát z kombinovaných materiálov - kombinácia Ti, keramiky a polyeténu

Keramické zlúčeniny sú vo všeobecnosti tvrdé, majú nízku elektrickú a tepelnú vodivosť, nízku pevnosť v ťahu ale vysokú v tlaku. Sú to anorganické nekovové látky vyrábané z práškových surovín vypaľovacím procesom, čo im dodáva pevnosť.

Korundová keramika alebo oxid hlinitý je materiál najčastejšie používaný pri výrobe keramických implantátov. Vďaka veľmi malej vzdialenosti atómových jadier má jednu z najvyšších hodnôt väzbových energií z čoho sa odvíjajú jeho fantastické mechanické vlastnosti. Má nízky súčiniteľ trenia preto je vhodným materiálom pre časti umelých kĺbov, ktoré sú silno namáhané, napr. bedrový alebo kolenný kĺb. V porovnaní s kovovými materiálmi je korundová keramika podstatne biokompatibilnejšia, pretože omnoho lepšie odoláva korózii. Taktiež je porézna, takže dovoľuje vrastanie kostného tkaniva priamo do implantátu, čím zabezpečí jeho lepšiu fixáciu. Má vysoký modul pružnosti (380 GPa), je inertná v biologických tkanivách a implantáty z nej vyrobené sú kombinovateľné s inými materiálmi, čím sú úplne eliminované nežiadúce vlastnosti napr. hlavica vyrobená z keramiky a polyetylénová jamka, prípadne titánové puzdro jamky a rôzne ďalšie alternatívy.

Odkazy

Související články

• Tkáňové inženýrství
• Umělé tkáně
• Problematika náhrad tkání z mechanického hlediska

Zdroj

• NEDOMA, J et al.. Biomechanika lidského skeletu a umělých náhrad jeho částí. 1. vydání. Praha : Karolinum, 2006. 491 s. ISBN 80-246-1227-5.

• MEYER, U et al. Fundamentals of tissue engineering and regenerative medicine. 1. vydání. Berlin : Springer, 2009. 1049 s. ISBN 978-3-540-77754-0.

• KOUTSKÝ, J. Biomateriály. 1. vydání. Plzeň : Vydavatelství Západočeské univerzity, 1997. 72 s. ISBN 80-7082-370-4.

Externí odkazy

• http://www.jaypeejournals.com/eJournals/ShowText.aspx?ID=3179&Type=FREE&TYP=TOP&IN=_eJournals/images/JPLOGO.gif&IID=244&isPDF=YES

			Článek ke kontrole
			Žádá se kontrola tohoto článku učitelem.
			Navržený učitel: Jan Tomsa