2014 -fim-pibt-c4
DESCRIPTION
Procese de interfata Biomaterial - TesutTRANSCRIPT
-
Procese de
interfata
biomaterial - tesut
CONF. STANCU IZABELA| CURS 3+4
-
Obiective specifice
In finalul acestui modul studentii vor fi capabili:
- sa identifice principalele fenomene de interfata
- sa inteleaga factorii care contribuie la manifestarea acestor fenomene
- sa inteleaga factorii care ajuta la aderenta biomaterialelor la tesuturi
- sa explice cum se pot controla anumite fenomene de interfata
-
Fluorescence microscopy reveals a protein network
in a mammalian cell.
Ma
x P
lan
ck In
st. fo
r B
iop
hysi
ca
l Ch
em
istr
y
Stiati ca?
2014 - Nobel Prize in
Chemistry
Stefan Hell
William Moerner
Eric Betzig
Nobel committee:
Microscopy has
become nanoscopy.
http://www.nature.com/news/nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells-1.16097
-
The laws of physics dictate that visible light cannot distinguish between objects
closer to each other than around 200 nanometres (around half the wavelength of
visible light) they will appear as one blob. Such resolution, known as Abbe's
diffraction limit, is good enough to reveal the organelles inside cells but not to see
their detailed structures. Microscopes that use beams of electrons, rather than
light, have finer resolution, but they can be used only in a vacuum, limiting their
use to dead tissue.
Read: Nature 514, 286 (16 October 2014) doi:10.1038/nature.2014.16097
Hell: "There will be many new versions
of super-resolution microscopes in
future"
http://www.nature.com/news/nobel-for-microscopy-that-reveals-inner-world-of-cells-1.16097
-
little hand-held mikroskoops; simple single-lens scopes
simple magnifying glasses consisting of a single spherical or
biconvex lens mounted between two copper, brass or silver
plates.
Anthony from the Lions Corner
A prominent journal of general and molecular microbiology printed by Springer Netherlands is named "Antonie van Leeuwenhoek", whereas the Netherlands
Cancer Institute's hospital in Amsterdam is the "Antoni van Leeuwenhoek Ziekenhuis".
htt
p:/
/ww
w.v
an
lee
uw
en
ho
ek.c
om
/#h
isd
isc
ove
rie
s
1675 - He discovered and accurately described and
differentiated erythrocytes in humans, swine, fish and birds.
"rather less than" 8.5 m, a marvelously accurate result given his tools. He
expressed these dimensions by comparing sizes to sand grains. He
observed that almost one hundred erythrocytes in a row would equal the
diameter of a sand grain that he estimated to be the equivalent of 1/30
inch across. (The metric system was not to be introduced until 1791.) In
1683, he also described the sedimentation of red cells upon standing and
their lysis on addition of fresh rain water, but not of sea water.
1683 - He saw the lymphatic capillaries, containing "a white fluid, like
milk.
1698 - He described the blood capillaries in several species.
-
3.1. Problematica I Justificare
Controlul PIB-T - pentru ca inca exista probleme nerezolvate
[Biomaterials, the Nanobiointerface, and Surface Modification Strategies Buddy D. Ratner, UWEB, Univ of Washington]
-
Probleme nerezolvate si provocari ce asteapta o solutie:
[Biomaterials, the Nanobiointerface, and Surface Modification Strategies Buddy D. Ratner, UWEB, Univ of Washington]
-
1. Suprafata si interfata dicteaza reactia biologica.
2. Mediul fiziologic dicteaza evolutia biomaterialului.
3.2. Elemente cheie interactiuni B-T
Sa analizam:
1. Ce au in comun biomateriale precum colagen, gelatina,
polihidroxietil metacrilatul, poliacrilamida, acid hialuronic,
hidroxiapatita?
2. Dar biomateriale precum teflon, polietilena, polipropilena, polilactida, poliglicolida, polimetacrilatul de metil, polistiren, titan?
Natura lucreaza la nivel de interfete si suprafete. Noi trebuie sa mimam aceste
fenomene.
-
Elemente cheie INTERFATA delimiteaza 2 medii: L-L, S-L, G-L, G-S, S-S. Orice suprafata este o interfata.
Fenomene de interfata fenomene dinamice:
Adeziune: descrie fenomenul sau starea in care doua corpuri sunt unite sau lipite
intre ele. Definitia nu descrie natura fenomenului.
Adsorptie / Absorptie
Degradare
Calcifiere
Relatie duala: Fenomene manifestate asupra biomaterialului dar si fenomene
manifestate asupra tesutului
Uneori interfata se realizeaza intre un adeziv si tesut, nu intre implant si tesut.
http://www.coheramedical.com/products/tissuglu
-
Dupa aplicare - precursor
In prezenta apei se formeaza macromolecule flexibile
htt
p:/
/ww
w.c
oh
era
me
dic
al.c
om
/pro
du
cts
/tis
sug
lu
Contact intim adeziv- tesut
-
http://www.coheramedical.com/products/sylys_surgical_sealant
Uneori interfata se realizeaza intre un adeziv si tesut,
nu intre implant si tesut.
Observatii practice:
1. Cand o piesa anatomica este accidentata sau
indepartata chirurgical, integritatea se pierde si
rezulta fragmente care in general nu pot fi
repozitionate prin simpla apropiere, folosind
forte mecanice.
2. Analizati posibilele cauze !
microdenivelari care nu pot fi corect imbinate din
ratiuni practice
microfragmente ce nu se pot recupera
contaminarea instantanee a suprafetei cu molecule,
ioni, atomi din mediul inconjurator
-
3.3. Fenomenul de adeziune
3.3.1. Generalitati :
1. Imbinarea unui biomaterial cu un tesut este o sarcina dificila,
deoarece procesul presupune forte de atractie diferite ca natura sau marime.
2. Stiinta care studiaza materialele adezive preocupare principala
identificarea unor materiale capabile sa realizeze imbinari perfecte.
3. Adeziv / liant: material folosit la imbinarea a doua suprafete, care
patrunde in spatiul interfacial, umple interstitiul si realizeaza, la nivel
molecular, un contact perfect cu speciile expuse la suprafata celor
doua corpuri. Aceste cerinte presupun ca adezivul sa fie lichid si sa
poata curge.
-
4. Exemple comune pentru intelegerea fenomenului:
a) 2 coli de hartie apropiate in pozitie verticala
lipsa aderentei
b) 2 coli de hartie umezite - aderenta
c) O placa de faianta asezata pe perete lipsa
aderentei
d) O placa de faianta cu adeziv asezata pe perete
aderenta
5. Pe de alta parte, se stie ca folosirea unor lichide
mai vascoase determina o mai buna aderenta.
6. Lichidele sunt adezivi pentru solide dar fiecare
lichid se comporta diferit in functie de suprafata
pe care a fost aplicat. Adeziunea este specifica
pentru perechea suprafata lichid.
htt
p:/
/ww
w.c
hrisj
on
eso
rth
o.c
om
.au
/se
rvic
es/
tota
l-h
ip-r
ep
lac
em
en
t/
-
Fenomenul de adeziune
3.3.2. Elemente cheie: A. Natura fenomenelor care determina adeziunea
B. Proprietatile celor 2 medii in contact (biomaterial si tesut) care
decid calitatea interactiunii
C. FactorIi ce determina interactiunea unui biomaterial cu un
anumit tesut (substrat)
-
1. Ancorare mecanica
2. Forte intermoleculare de atractie
3. Suprafata libera. Tensiune superficiala.
4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune
5. Fenomene difuzive
A. Natura fenomenelor care determina adeziunea
-
A.1. Ancorare mecanica: patrunderea tesutului in porii biomaterialului (ex. fixarea protezelor de cap femural rugoase in canalul medular)
! Asperizare mecanica; asperizare chimica a suprafetelor
Implant cu suprafata
rugoasa
Tesut osos
Implant
Tesut osos
-
A.1. Ancorare mecanica:
Implant cu suprafata poroasa vs implant cimentat
htt
p:/
/ww
w.o
rth
ob
eth
esd
a.c
om
/su
rge
ry/y
ou
rhip
surg
ery
.asp
x
-
Legea De Bruyne a adeziunii: Nu se pot obtine imbinari rezistente intre substraturi polare si
adezivi nepolari sau intre substraturi nepolare si adezivi polari. Se obtin imbinari bune intre
materiale de polaritate asemanatoare. - Fortele intermoleculare observate initial de Van der Waals intensitate redusa, cu raza lunga de
actiune si intensitate ce variaza slab cu distanta.
- Lenard-Jones: pentru distante intermoleculare mici, la limita coliziunii, se manifesta forte
intermoleculare intense, cu raza scurta de actiune, care variaza puternic cu distanta
Tipuri de forte intermoleculare : 1) de dispersie (London) se stabilesc intre orice fel de molecule indiferent de marime si structura.
Atractia - intre norul electronic periferic al unei molecule si nucleele altei molecule, are ca efect
deformarea norului electronic si formarea dipolilor indusi;
2) Forte de orientare Keesom intre molecule polare (cu moment de dipol permanent). In camp
electric generat de dipolii vecini are loc orientarea dipolilor
A.2. Forte intermoleculare de atractie
- - - - -
- - - +
- - - - -
- - - +
- + - +
autopolarizare
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
orientare
-
Tipuri de forte intermoleculare - continuare : 3) Forte de inductie (Debye) atractie intre dipolii permanenti (molecule polare) si molecule
nepolare (simetrice din punct de vedere al distributiei electronilor) dar polarizabile. Atractia
intre norul electronic periferic al unei molecule si nucleele altei molecule, avand ca efect
deformarea norului electronic si formarea dipolilor indusi
4) Legaturi de hidrogen fortele intermolecule cu cea mai mare intensitate; energie de legatura
comparabila cu a legaturilor chimice
- Necesita prezenta legaturilor sigma intre un atom de H si un heteroatom X cu electroni pi sau
neparticipanti; este deplasata catre heteroatom.
- - - - -
- - - + - + - +
inductie
- +
X H
A.2. Forte intermoleculare de atractie
Datorit energiei ridicate, acolo unde acestea exist, legturile
de hidrogen sunt principala component a forelor coezive,
care decid proprietile fizice ale substanei.
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
-
http://cdn0.lostateminor.com/wp-content/uploads/2012/03/Ondrej-Pakans-7.jpg
http://cdn0.lostateminor.com/wp-content/uploads/2012/03/Ondrej-Pakans-8.jpg http://animalworld.tumblr.com/post/2314196758/insect-covered-in-dew-drops-quickwitter
http://www.educationalresource.info/insects/14-water-strider.htm
A.3. Suprafata libera. Tensiune superficiala
Suprafata libera
- suprafata geometrica ce separa un corp de spatiul exterior
- stratul superficial care contine moleculele ce au proprietati
distincte in raport cu cele aflate in volumul de substanta
considerat; are orice forma si grosime data de h < r.
2r
h
R2
R1
F
Reprezentarea schematic a forelor de interaciune ce
acioneaz asupra moleculelor de pe suprafaa liber i
din interiorul unui lichid.
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
-
O mrime derivat din existena aceluiai cmp atractiv necompensat la suprafa este
tensiunea superficial.
Tensiunea superficiala - lucrul mecanic izoterm i reversibil consumat pentru formarea
unitii de suprafa liber (sau pentru mrirea suprafeei libere cu o unitate):
(1)
Dimensiunea tensiunii superficiale este EL-2
(unitile de msur corespunztoare vor fi J/m2 (erg/cm2)).
Relaia (1) se poate scrie i n forma echivalent:
(2)
Tensiunea superficial poate fi exprimat i n uniti FL-1 (N/m sau dyn/cm, 1 dyn = 10-5N)
A.3. Suprafata libera. Tensiune superficiala
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
dA
dW
L
F
dxL
dxF
dA
dW
Exercitiu: Apa are o tensiune superficiala egala cu 730000 erg/m2. Exprimati aceasta marime in N/m.
-
Pentru lichide i solide, exist o clasificare n funcie de valoarea tensiunii
superficiale:
1) suprafee de joas energie - valori < 100 erg/cm2
- aici se ncadreaz substanele organice, polimerii i
majoritatea lichidelor, organice i anorganice
2) suprafee de nalt energie - valori > 100 erg/cm2
- ce includ majoritatea compuilor anorganici cristalini
(oxizi, sruri, etc.).
Concluzionnd, se poate afirma c tensiunea superficial deriv din acelai
fenomen al cmpului rezidual de fore coezive necompensate localizat la suprafaa liber.
Presiunea intern (van der Waals) a unui lichid este dat de suma vectorial a
rezultantelor forelor de interaciune necompensate ale moleculelor de pe unitatea
de suprafa liber:
2A
iV
aKKR
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
A.3. Suprafata libera. Tensiune superficiala
-
htt
p:/
/ko
ll1.c
he
m.u
-sze
ge
d.h
u/c
ollo
ids/
sta
ff/z
oli/
Ph
arm
ac
y/L
ec
ture
s%2
03
%2
0a
nd
%2
04
.pd
f
A. 3. Suprafata libera. Tensiune superficiala
Exercitiu Ce rol are dodecil sulfatul de sodiu CH3(CH2)11OSO3Na in experimentul alaturat?
Surfactanti - Agenti tensioactivi - detergenti
-
A.3. Suprafata libera. Tensiune superficiala
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
Suprafata libera si tensiunea superficiala parametri decisivi pentru:
adeziune
umectabilitate
contaminarea suprafetei implantului Ex. adsorptia proteinelor, ionilor Ca2+
p
K p K
L adera la S
Fore de suprafa ce acioneaz n cazul contactului S-L Presiunea intern a suprafeei curbe (p); presiunea caracteristic suprafeei plane (K).
Triathlon / Stryker
hidrofob
L nu adera la S
-
A.4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune.
Lucrul de adeziune (Relaia Young-Dupr)
1
2
12
La lipirea materialelor 1 si 2, variatia energiei Gibbs la unitatea de suprafata:
2112III ggA
Gg
La dezlipirea materialului 1 -2, variatia energiei Gibbs la unitatea de suprafata:
Material 1
Material 2
Material 1-2
0g 1221
Reformarea suprafeelor libere 1 si 2 nu se poate face spontan deoarece decurge cu
creterea energiei libere. Dezlipirea se poate realiza prin cheltuirea unui lucru mecanic WA
egal cu variaia energiei libere (pe unitatea de suprafa de contact):
1221A gW (3)
Relaia (3) poart numele de relaia Dupr iar mrimea WA se numete lucrul (mecanic) de
adeziune.
-
O prim consecin rezultat din relaia Dupre este aceea c adeziunea este cu
att mai bun (lucrul consumat pentru desprindere este mai mare) cu ct
tensiunea interfacial 12 este mai redus.
O valoare ridicat a tensiunii interfaciale indic incompatibilitate ntre suprafee.
Exercitiu:
Unghiul de contact intre apa si teflon este 180. Cum estimati ca este lucrul de adeziune intre
un implant de teflon si plasma?
A.4. Forte de adeziune si Lucrul de adeziune.
[Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009]
S
L
SL S
L
Echilibrul mecano-static al unei picturi de lichid pe o
suprafa solid.
C
-
Difuzia moleculara fenomen ce stimuleaza interactiunea B - T
A. 5. Fenomene difuzive
Biomaterial Biomaterial Biomaterial
Adeziune slaba; contacte putine
Adeziune puternica;
contacte numeroase
Formarea unui strat proteic superficial prin difuziune moleculara
Moleculele de proteina migreaza
catre biomaterial dar nu stabilesc contacte
reale pentru ca nu sunt descolacite
Moleculele de proteina se
descolacesc
Moleculele de proteina interactioneaza cu
substratul; se formeaza puncte de contact.
Intensitatea adeziunii depinde de
compatibilitatea celor 2 medii
-
A.5. Fenomenele difuzive:
1) decurg cu vitez finit (sunt dependente de timp)
2) sunt accelerate de creterea presiunii i/sau temperaturii care afecteaz att mobilitatea molecular n ansamblu ct i mobilitatea segmentelor, prin intermediul modificrii pragului
energetic al transformaiilor conformaionale (bariera energetic a rotaiei libere).
3) mobilitatea moleculelor depinde de dimensiunea (masa molecular medie) i flexibilitatea
acestora (abilitatea lanurilor de a se descolci, ce depinde de atraciile intermoleculare i deci de polaritate).
zone active (contacte)
substrat
strat 1
strat 2
strat 3
Principiul teoriei adsorbiei prin bucle-franjuri.
Teoria adsorbiei prin bucle-
franjuri - mai multe straturi de
macromolecule, cu rol diferit
n realizarea adeziunii
Stratul 1 = strat primar de macromolecule, ce sunt adsorbite pe suprafaa substratului prin zone active (segmente n contact cu substratul prin atracii intermoleculare). Segmentele active ale unei macromolecule alterneaz cu segmente inactive (poriuni expandate n afara zonei de contact ce conserv conformaia de ghem statistic).
Straturile superioare (2, 3, etc.) nu sunt n contact direct cu substratul dar interacioneaz cu lanurile din stratul 1 i sau/ntre ele n dou moduri: prin atracii intermoleculare polimer-polimer i prin fenomenul de ancorare sau interpenetrare reciproc.
[Ad
ezi
vi,
lac
uri s
i vo
pse
le
B. M
arc
ule
scu
, E. R
use
n,
L.M
. B
uta
c,
ISB
N 9
78
-97
3-5
58
-40
3-0
, A
rs D
oc
en
di 2009]
-
Surse de documentare stiintifica - sugestii
Societatea Europeana de Biomateriale ESB (www.esbiomaterials.eu) Food and Drug Administration FDA (http://www.fda.gov/MedicalDevices)
Strategies in Regenerative Medicine. Integrating Biology with Materials Design, Ed. Matteo Santin, Springer, 2009 ESB Consensus Conference I Williams, D.F., Definitions in Biomaterials, Elsevier, Amsterdam, 1987 ESB Consensus Conference II Dohery P.J., Williams R.L., Williams D.F., and Lee A.J.C., Biomaterial-Tissue Interfaces, Elsevier, Amsterdam, 1992
Larousse Science Larousse Dictionary of Science and Technology, Larousse, Edinburgh, 1995 Oxford Science Oxford Concise Science Dictionary, Oxford University Press, 3rd Edition, 1996 MEDLINE Medical Subject Heading, National Library of Medicine, US National Institute of Health The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999 http://www.cbte.pratt.duke.edu/biomaterials-tutorials Adezivi, lacuri si vopsele B. Marculescu, E. Rusen, L.M. Butac, ISBN 978-973-558-403-0, Ars Docendi 2009
-
Questions? ?