BiomaterialeCurs II

an II - Bioinginerie

Dupa natura chimica a materialului:

Biomateriale polimerice

Biomateriale metalice

Biomateriale ceramice

Biomateriale compozite

Terminologie:– mer: unitate– monomer: o unitate– dimer: doua unitati– trimer: trei unitati– tetramer: patru unitati– polimer: mai multe unitati– oligomer: cateva unitati– homopolimer: polimer dintr-

un singur tip de mer

HOMOPOLIMER

Terminologie (contn):– copolimer: polimeri formati din doua tipuri de mer

statistici · · ·-B-A-B-A-B-B-A-· · · alternanti· · ·-A-B-A-B-A-B-A-· · · bloc · · ·-A-A-A-A-B-B-B-· · ·

– heteropolimer: monomerii contin mai multe tipuri de atomi pe catena

COPOLIMER

i: gradul de polimerizare (numar de unitatile de monomer)

Mo: masa moleculara a monomeruluiMi = i x Mo

Mi: masa molara a moleculei de polimer I

In mod obisnuit catenele nu sunt egale ca lungime– monodisperse: catene de lungime egala - unele proteine– polidisperse: lungime neegala, specifica celor mai multe

molecule sintetice De aceea se defineste o greutate medie moleculata

– numerica medie, Mn

– gravimetrica medie, Mw

Medie numerica, Mn

Medie gravimetrica, Mw

Ni: nr. de molecule cu grad de polimerizare i

Mi: masa moleculara a moleculei i

Raportul dintre Mw si Mn este denumit indice de polidispersitate (PI)– este o masura a largimii domeniului masei

moleculare – PI = 1 indica Mw = Mn, adica toate moleculele au

aceeasi lungime(monodisperse)– PI = 1 - este posibil pentru proteine naturale in

timp ce polimerii sintetici au 1.5 < PI < 5

Aplicatii biomedicale: 25,000<Mn<100,000 si 50,000<Mw<300,000

Cresterea masei moleculare determina imbunatatirea proprietatilor fizice; scade insa procesabilitatea

Polimer natural (biopolimer)–provine din biosinteza, se folosesc extractii adecvate din mediul natural.

Polimer sintetic- polimerul care se obtine prin sinteza din compusi micromoleculari:

-homopolimer;-copolimer.

Polimer artificial - biopolimeri modificati prin reactii chimice

Biopolimeri –provin din biosinteza, se folosesc extractii adecvate din mediul natural.

Biomateriale colagenice si provenienta acestora din resurse de tesut conjunctiv

ATELOCOLAGENUL

reprezinta materialul colagenic derivat din colagenul nativ din care lipsesc zonele telopeptidice. Prin insolubilizare se obtin formatiuni fibroase apropiate celor din colagen nativ.

COLAGENUL SOLUBILIZAT (EUCOLAGEN)

reprezinta biopolimerul solubil in solutii apoase, pe un domeniu foarte larg de pH, care in stare dizolvata formeaza asociate liniare sau ramificate, preponderent cu structura cristalina. Prezinta capacitate de formare a structurilor fibroase in urma proceselor de insolubilizare.

GELATINA reprezinta o polipeptida liniara, cu conformatie partial cristalina, solubila in apa, solutii apoase de electroliti, dar si in unele lichide organice, care formeza in stare dizolvata geluri, la temperaturi mai mici de 30oC.

HIDROLIZATUL DE COLAGEN este un amestec de polipeptide liniare si ramificate, solubil in apa, solutii apoase de electroliti si lichide organice, care sub forma de solutii nu formeaza geluri.

Tabelul 3. Tipuri de colagen

Aspect Tipul Compozitia lanturilor Distributii obisnuite

I 1(I)2 2(I) Matrice stromale fibroase II 1(II)3 Cartilagiu, corp vitros, stroma

corneana primara, notocord III 1(III)3 Cu tipul I in fibrili heterotipici V 1(V)22(V) Cu tipul I in fibrili heterotipici,

fibrili fini

Fibrilar

XI 1(XI)2(XI)3(XI) Cu tipul II in fibrili heterotipici IX

1(IX)2(IX)3(IX)

Suprafata fibrililor de colagen tip II din cartilagiu; stroma corneana primara , notocord

Asociat cu fibrilii

XII 1(XII)3 Unele matrici continând tipul I Care formeaza retea IV 1(IV)2 2(IV) Membrane bazale Filamentar VI 1(VI)2(VI)3(VI) Filamente din bile de 100nm ale

matricii stromale VIII Membrana Descemet, matrici

subendoteliale Lant scurt

X 1(X)3 Cartilagiu hipertrofic

Glucan chain

Microfibril

Celuloza

R: H celuloza

R: C N ;

HO

CH2 CH3 CO O CH3 ; ; CO O C2H5; OS CH3

PO3H; NO2; OS CH3; CH2 C OH;O

O

HH

HO

HH

CH2OR

O

HH

HH

CH2OR

O

HH

HH

CH2OR

H H H

OR OR OR

OO OOH OH OH

n

Biopolimeri: Chitina si chitosan.

Chitin Chitosan

Aplicatii:

cartilaj; tesut osos; piele artificiala

O

OH

OHH

H

O

OH

H H

COONa

O

HH O

OH

OHCOONa

OH

H H

H

O

H

n

Alginat de sodiu

Acid hialuronic

Condroitin sulfat A si B

O

HH

HH

OH

H NH

COO-

OO

O

HH

HH

OHH NH

CH2OH

OHH

OC COCH3 CH3

n

O

HH

HH

OH

H OH

COO-

OO

O

HH

H-O3SO

HH NH

CH2OH

OHH

CO

CH3

n

Polimeri sintetici

-A-A-A…….A- = -(A)n-

A este o formatiunea chimica cea mai simpla care se identifica in de mai multe ori in structura polimerului. Polimer sintetic- polimerul care se obtine prin sinteza din compusi micromoleculari:

-homopolimer;-copolimer- contin doua sau mai multe tipuri de unitati de baza.

R= H - poli(etilena)

R= CH3 - poli(propilena)

R= Cl -poli(clorura de vinil)

Caracteristici de structura - strans corelate cu proprietatile materialului

Liniar

Ramificat

Retea

Punct de ramificare

reticulare

Polimerizarea aditiva: – monomerii reactioneaza, parcurgand 3 stadii:

initiere, propagare, si intrerupere– initiatori- radicali, cationi, anioni deschid dubla

legatura a monomerului – monomerul devine activ si se leaga cu alti

monomeri– reactie rapida la catena- propagare– reactia se intrerupe prin intermediul altor radicali

liberi sau alt polimer

Intrerupere:

•doi radicali de polimer interactioneaza

•reactia cu un nou monomer

•reactie cu initiatitor

Condensarea: – doi monomeri reactioneaza cu formarea unei

legaturi covalente – in urma reactiei se elibereaza o molecula( apa,

HCl, metanol sau CO2).

– Reactia continua pana cand unul dintre reactanti se consuma.

CondensareCondensare - - Polimerizare Polimerizare aditiva - diferenteaditiva - diferente

Polimerizare aditiva:– Dificultati de control a masei moleculare– Produsi de ramificare nedoriti

Condensarea:– Control al masei moleculare– Polidispersitate redusa

CH2 CH

OHCH3 CH O

CH2 CH

OCOCH3

n CH2 CH

OH

( )nhidroliza acida sau bazica + CH3COOH

Poli(alcoolul vinilic) (PAV) se obtine printr-o transformare polimer analoaga deoarece monomerul corespunzator acestul polimer nu exista in stare naturala (alcoolul vinilic sufera un proces de tautomerizare si se transforma in aldehida acetica) :

Reactia care sta la baza obtinerii poli(alcoolului vinilic) este hidroliza acida sau bazica a poli(acetatului de vinil) in solutie alcoolica, conform schemei de mai jos :

Transformari polimer - analoage

• Polimeri pot fi amorfi sau cristalini

• Cristalinitatea este determinata de:–dimesiunea grupelor laterale (mici => ↑cristalinitate)–uniformitatea catenei–Tacticitate-modul de aranjare a substituientilor in jurul catenei principale

• Cresterea cristalinitatii imbunatateste proprietatile mecanice

SURSA POLIMERULUI

AVANTAJE DEZAVANTAJE EXEMPLE

Polimeri naturali Surse regenerabile, cel mai adesea au un preţ scăzut

Repreductibilitate scăzută şi variabilitate a proprietăţilor materialului

Amidonul, celuloza

Polimeri naturali modificaţi

Surse parţial regenerabile, variabilitate a proprietăţilor materialelor

Scumpe, structură dificil de controlat

Acetat de celuloză, acetat de amidon

Monomeri produşi prin fermentaţie

Surse regenerabile, repreductibilitate bună a proprietăţilor materialelor şi control al structurii

Scumpe (excepţie: PLA)

PLA

(poli (acid lactic))

Monomeri produşi în industria petrochimică

Proprietăţi bune ale materialelelor, reproductibilitate bună a proprietăţilor materialelor, ieftine, sinteză rapidă

Lipsa surselor regenerabile

Poliesteri amide, poliester uretani, homopoliesteri alifatici, copoliesteri alifatici-aromatici

Polimerilor biodegradabili dupa sursa de provenienţăPolimerilor biodegradabili dupa sursa de provenienţă

Polimeri sintetici

biodegradabili

Polimeri sintetici utilizati in medicina Polimer sintetic Caracteristici

polimer Interactiune cu mediul biologic

Domenii de utilizare

Polietilena inert chimic tendinta de degradare

Ortopedie, chirurgie cardio-vasculara

Polipropilena inert chimic, caracteristici

mecanice bune

Nu se descompune

Chirurgia cardio-vasculara, Materiale pentru sutura

Poli(uretani) Elasticitate, Adeziune la tesuturi

Scade rezistenta la rupere,

Descompunere

Chirurgia cardio-vasculara, Membrane pentru dializa,

Bioadezivi Poli(vinil alcool)

Rezistenta mecanica Calcifiere, Fenomene de

contractie

Inginerie tisulara, Chirurgie estetica,Sisteme de eliberare controlata a medicamentelor

Poli(metacrilat de metil)

Inert chimic, Rezistenta mecanica

Nu se descompune

Oftalmologie, Stomatologie, Ortopedie, Cranioplastie

In cazul folosirii in scopuri terapeutice, polimerii trebuie sa indeplineasca anumite conditii, ansamblul acestora asigurand realizarea efectului fiziolgic dorit, toleranta buna de catre organism si diminuarea efectelor secundare.

Aceste conditii sunt:conditii structurale si de puritate;conditii legate de modul de administrare si locul de actiune;conditii legate de interactiunile biologice posibile

Conditii structurale si de puritatePolimerii medicali trebuie sa satisfaca urmatoarele

conditii structurale si de puritate:- sa corespunda structurii chimice propuse pentru exercitarea unui anumit efect;- sa fie de greutate adecvata pentru scopul propus, astfel incat sa fie exclus pericolul sedimentarii in organism;- sa fie obtinuti in stare pura, sa nu fie impurificati cu diferite componente;- sa nu prezinte modificari ale structurii;- sa nu sufere degradari prin sterilizare;- sa fie stabili din punct de vedere fizic si chimic la interactiunile cu mediul biologic.

Conditii legate de modul de administrare si locul de actiune

Aceste conditii se refera la capacitatea de a forma complecsi reversibili sau ireversibile cu anumite substraturi(chelati, complecsi de natura electrostatica, sisteme redox de natura polimerica), proprietatile tensioactive, hidrosolubilitatea, liposolubilitatea.

Conditii legate de interactiunile biologice posibileConditiile legate de interactiunea cu organismul sunt

practic legate de asigurarea biocompatibilitatii, absenta sedimentarii in tesuturi, absenta efectelor alergice, toxice, cancerigene.