Beata wieczko-urek

BIOMATERIAY

Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej

Beata wieczko-urek

BIOMATERIAY

Endoproteza Metha-Aesculap

Gdask 2009

PRZEWODNICZCY KOMITETU REDAKCYJNEGO WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDASKIEJ

Romuald SzymkiewiczRECENZENT

Jan Chopek

PROJEKT OKADKI

Katarzyna Olszonowicz

Wydano za zgod Rektora Politechniki Gdaskiej

Wydawnictwa PG mona nabywa w Ksigarni PG (Gmach Gwny, I pitro) bd zamwi poczt elektroniczn (ksiegarnia@pg.gda.pl), faksem (058 347 16 18) lub listownie (Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Ksigarnia PG, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdask) www.pg.gda.pl/WydawnictwoPG

Copyright by Wydawnictwo Politechniki GdaskiejGdask 2009

Utwr nie moe by powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposb, bez pisemnej zgody wydawcy

ISBN 9788373482722

Prace badawcze s naprawd jak wdrwka we mgle. Nie wiesz, dokd idziesz. Szukasz po omacku. Potem ludzie dowiaduj si o wszystkim i ju po fakcie wydaje im si, e byo to bardzo proste.Francis Crick, biolog

Mojemu mentorowi Profesorowi Andrzejowi Zieliskiemu w podzikowaniu za cenne wskazwki i uwagi, ktre znacznie podniosy warto niniejszego podrcznika.

4

SPIS TRECI

WSTP .......................................................................................................................................... 1. BUDOWA I CZYNNOCI YCIOWE KOMRKI .............................................................. Literatura .................................................................................................................................. 2. TKANKA KOSTNA JAKO NATURALNY BIOMATERIA ............................................... Literatura .................................................................................................................................. 3. UKAD MINIOWY CZYNNY NARZD RUCHU ....................................................... 3.1. Ocena biozgodnoci w tkankach mikkich ....................................................................... 3.2. Transplantacja tkanek i narzdw ..................................................................................... Literatura .................................................................................................................................. 4. BIOMATERIAY ................................................................................................................... 4.1. Biomateriay pojcia ...................................................................................................... 4.2. Degradacja biomateriaw ................................................................................................ 4.2.1. Pitting .................................................................................................................... 4.2.2. Fretting .................................................................................................................. 4.2.3. Korozja szczelinowa .............................................................................................. 4.2.4. Korozja galwaniczna ............................................................................................. 4.2.5. Korozja midzykrystaliczna ................................................................................... 4.2.6. Korozja wodorowa ................................................................................................ 4.2.7. Zmczenie materiau ............................................................................................. 4.2.8. Uszkodzenia mechaniczne implantu ....................................................................... 4.3. Prawidowe funkcjonowanie wszczepu w organizmie ...................................................... 4.4. Zastosowanie biomateriaw ............................................................................................. Literatura .................................................................................................................................. 5. PROCESY ZACHODZCE W UKADZIE IMPLANT-ORGANIZM ................................. 5.1. Biologiczna ocena biozgodnoci ...................................................................................... 5.2. Rodzaje bada miejscowej odpowiedzi tkankowej na wszczep ....................................... Literatura .................................................................................................................................. 6. BIOMATERIAY METALICZNE ......................................................................................... 6.1. Materiay na wszczepy krtkotrwae ................................................................................ 6.2. Materiay na wszczepy dugotrwae ................................................................................. 6.3. Problemy zwizane z implantacj tworzyw metalicznych ................................................ 6.4. Uczulenia i alergie na skadowe implantw metalicznych ............................................... Literatura ..................................................................................................................................

7 9 11 12 18 20 30 30 31 32 32 36 38 39 39 39 40 40 40 41 43 45 50 52 56 68 69 72 81 84 90 91 94

67. BIOMATERIAY CERAMICZNE ......................................................................................... 7.1. Biomateriay ceramiczne resorbowalne w organizmie ..................................................... 7.2. Biomateriay ceramiczne z kontrolowan reaktywnoci w organizmie .......................... 7.2.1. Bioaktywne materiay porowate ............................................................................ 7.2.2. Materiay porowate z wypeniaczem nieorganicznym .......................................... 7.2.3. Materiay porowate na podou organicznym ....................................................... 7.2.4. Biomateriay pochodzenia elowego ..................................................................... 7.3. Biomateriay ceramiczne obojtne .................................................................................... 7.4. Rodzaje pocze bioceramika-tkanka ............................................................................. Literatura .................................................................................................................................. 8. MATERIAY POLIMEROWE ............................................................................................... 8.1. Polimery naturalne ............................................................................................................ 8.2. Polimery syntetyczne ........................................................................................................ 8.3. Biotolerancja tworzyw sztucznych ................................................................................... Literatura .................................................................................................................................. 9. MATERIAY DO ZESPALANIA TKANEK ......................................................................... 9.1. Nici chirurgiczne .............................................................................................................. 9.2. Kleje ................................................................................................................................. 9.3. Cementy kostne ................................................................................................................ Literatura .................................................................................................................................. 10. MATERIAY WGLOWE I KOMPOZYTOWE ................................................................. 10.1. Wgiel wknisty AGH .................................................................................................. 10.2. Powoki wglowe ........................................................................................................... 10.3. Kompozyty wzmacniane wknami wglowymi ........................................................... 10.4. Zastosowanie biomateriaw wglowych i kompozytowych ......................................... Literatura ................................................................................................................................. 11. MATERIAY NA INSTRUMENTY CHIRURGICZNE ....................................................... 11.1. Przykady zastosowa narzdzi chirurgicznych ............................................................. Literatura ................................................................................................................................. 12. KLASYFIKACJA WYROBW MEDYCZNYCH ................................................................ Literatura ................................................................................................................................. 98 100 107 109 110 110 111 113 116 117 121 122 124 127 128 130 130 132 132 132 133 135 136 136 137 138 140 146 149 150 151

WSTP

Jako wspczesnych materiaw uywanych w medycynie narzuca potrzeb doskonalenia stosowanych ju w praktyce biomateriaw, a take prby wprowadzenia do praktyki lekarskiej nowych. Wprowadzajc implant do organizmu czowieka, zakada si, i bdzie on dugotrwale spenia okrelon funkcj. Dobre zespolenie wszczepu z koci oraz odpowiedni ksztat implantu, uwzgldniajcy rozkad napre na granicy kontaktu implant tkanka kostna oraz zapewniajcy sztywne osadzenie wszczepu w koci przez cay okres jego przebywania w organizmie, pozwoli na stworzenie takich warunkw, jakie towarzysz normalnemu procesowi gojenia zamanej koci. W niniejszym podrczniku przedstawione zostay, na podstawie dotychczasowej wiedzy, osignicia w zakresie biomateriaw na wiecie i w kraju. Struktura podrcznika oparta jest na 12 rozdziaach obejmujcych wiadomoci z zakresu materiaw stosowanych na implanty oraz rodowiska, w jakim si znajduj. Podrcznik przeznaczony jest dla studentw uczelni technicznych i medycznych, w ktrych rozwijane s kierunki zwizane z materiaami wykorzystywanymi w medycynie. Gdask 2009 Skadam podzikowania Panu Ryszardowi Nowaczkiewiczowi, Prezesowi Firmy Aesculap-Chifa z Nowego Tomyla, za pomoc i udostpnienie materiaw niezbdnych do powstania niniejszego podrcznika.

8

Rozdzia 1

BUDOWA I CZYNNOCI YCIOWE KOMRKI

Komrka to podstawowy element strukturalny i czynnociowy kadego organizmu, zdolny do spenienia rnych funkcji yciowych, tj. oddychania, odywiania, rozmnaania, wzrostu. Wielko i ksztat komrek s bardzo rne. Najmniejsza komrka mierzy 0,2 m (bakterie), najwiksza 3 m (wkno konopi). Komrki zbudowane s z cytoplazmy i struktur cytoplazmatycznych oraz z jdra komrkowego. Do struktur cytoplazmatycznych zalicza si: bon komrkow, siateczk rdplazmatyczn, rybosomy, aparat Golgiego, mitochondria i lizosomy (rys. 1.1) [1].

Rys. 1.1. Budowa schematyczna komrki i struktur komrkowych [1]

Bona komrkowa otacza komrk, oddzielajc j od otoczenia. Skada si z dwch warstw czsteczek fosfolipidw (rys. 1.2) [2].

10Bona komrkowa jest nieprzepuszczalna dla wikszoci substancji, ale staje si selektywnie przepuszczalna dla niektrych czsteczek, dziki obecnoci w bonie specyficznych biaek transportowych. Peni rwnie wan funkcj w porozumiewaniu si komrek midzy sob; bierze take udzia w procesie wydzielania i wchaniania makroczsteczek [3].

Rys. 1.2. Schemat budowy bony komrkowej: 1 podwjna warstwa czsteczek fosfolipidw; 2 biaka integralne; 3 biaka w warstwie wewntrznej fosfolipidw; 4 biaka w warstwie zewntrznej fosfolipidw; 5 biaka powierzchniowe od strony cytoplazmy; 6 biaka kanaowe [1]

Jdro komrkowe oddziela od cytoplazmy podwjna bona jdrowa. Skada si ona z elementw wknistych i ziarnistych, zawieszonych w jednorodnej substancji, zwanej kariolimf lub sokiem jdrowym. W okresach pomidzy podziaami komrki, jdro komrkowe stanowi chromosomy zwinite i cile do siebie przylegajce. W jdrach komrek czowieka wystpuj 23 pary chromosomw, w kadej komrce cznie 46 chromosomw [1]. Siateczk rdplazmatyczn ziarnist stanowi bona tworzca kanaliki. Na zewntrznej powierzchni tej bony skierowanej do cytoplazmy znajduj si ziarnistoci rybosomy. W rybosomach zachodzi proces translacji, czyli synteza acuchw polipeptydowych. W siateczce rdplazmatycznej gadkiej zachodzi biosynteza i magazynowanie niektrych zwizkw, przede wszystkim tuszczw, oraz polimeryzacja glukozy i tworzenie si ziarnistoci glikogenu [1, 2]. Lizosomy s to pcherzyki otoczone pojedyncz bon i zawierajce enzymy hydrolityczne trawice biaka, kwasy nukleinowe i wglowodany. W obrbie lizosomw zachodzi trawienie zarwno fragmentw wasnej komrki, jak i fragmentw obcych komrek, ktre zostay wchonite do wntrza na drodze fagocytozy [1]. Mitochondria s strukturami komrki, w ktrych gwnie wytwarzana jest energia. S one uniwersalnymi przenonikami energii w komrce [3]. Komrka peni nastpujce czynnoci [4, 5]: 1) przemiana materii; 2) pobieranie z otoczenia okrelonych substancji, przetwarzanie ich i wbudowanie w cytoplazm lub magazynowanie jako materia zapasowy;

113) wydalanie na zewntrz substancji niepotrzebnych, a wic produktw przemiany materii, ktra jest zwizana cile z przemian energii, jej zuyciem i wytwarzaniem w rnych formach, jak energia mechaniczna, cieplna, elektryczna, a przede wszystkim chemiczna; 4) czas ycia komrki. Niektre z komrek s dugowieczne i trwaj od pocztku do koca ycia. Inne yj bardzo krtko i albo obumieraj, albo dziel si kariokinetycznie na komrki potomne, obdarzone peni si yciowych. Istniej dwa podstawowe rodzaje mierci komrki: martwica (nekroza), kiedy to dochodzi do przerwania cigoci bony komrkowej, przebieg gwatowny; apoptoza (zaprogramowana mier komrki), czsto dotyczy pojedynczych komrek i nie wie si z procesem zapalnym. Moe zosta zapocztkowana uszkodzeniem DNA lub nieprawidowym rozdziaem chromosomw w trakcie cyklu komrkowego, jak rwnie czynnikami zewntrznymi uszkadzajcymi chromatyn (niektre leki) lub ograniczeniem dostpu komrek do skadnikw odywczych; W procesie ewolucji w organizmach zwierzcych rozwiny si wyspecjalizowane narzdy i ukady, dziki ktrym mog one coraz lepiej przystosowywa si do zmieniajcego si rodowiska zewntrznego. Kady z nich zbudowany jest z miliardw komrek, ktre je tworz.

Literatura[1] Traczyk W. Z.: Fizjologia czowieka w zarysie. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2007. [2] Cichocki T., Litwin J. A., Marecka J.: Kompendium histologii. Krakw: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagielloskiego 2002. [3] Hames B. D., Hooper N. M.: Biochemia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN 2005. [4] Marciniak J.: Biomateriay. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki lskiej 2002. [5] Platzer W.: Narzd ruchu. Podrczny atlas anatomii czowieka. T. 1. Brema: Wydawnictwo Medyczne Sotwiski Verlag 1995.

Rozdzia 2

TKANKA KOSTNA JAKO NATURALNY BIOMATERIA

Szkielet czowieka (rys. 2.1) [1] stanowi zintegrowany ukad koci, chrzstek, staww, wizade i jest rusztowaniem dla caego ciaa. Od jakoci koci zale ksztat, wielko i wytrzymao ciaa. Koci poruszaj si w nastpstwie skurczw przymocowanych do nich mini szkieletowych. Wiele z nich spenia rol dwigni poruszanych za pomoc mini i wchodzi w skad ukadu lokomocyjnego. Niektre koci, poczone ze sob, tworz osony dla narzdw. Ukady kostny oraz miniowy i nerwowy stanowi narzd ruchu. Poza tym s one siedliskiem szpiku, ktrego czynno polega na wytwarzaniu krwinek czerwonych i biaych [2, 3].

Rys. 2.1. Szkielet czowieka widok z przodu [1]

13Tkanka kostna charakterystyczna jest tylko dla krgowcw, u ktrych tworzy szkielet wewntrzny. Tkanka ta tworzy koci. Spenia gwnie funkcje mechaniczne, czemu towarzyszy ilociowa przewaga substancji midzykomrkowej nad komrkami kostnymi. Odznaczajce si licznymi wypustkami komrki kostne znajduj si w jamkach kostnych [4]. Substancja midzykomrkowa jest zbudowana ze zwizkw organicznych, tzw. osseiny (35%), oraz ze zwizkw nieorganicznych (65%) gwnie fosforanw i wglanw wapnia nadajcych twardo i odporno na zamanie bd zgniecenie. Podstawow jednostk strukturaln koci jest osteon. Osteon tworz blaszki kostne, midzy ktrymi znajduj si jamki kostne z komrkami kostnymi. Centraln cz zajmuje jego kana rodkowy (kana Haversa), mikroskopijny przewd, w ktrym biegn naczynia krwionone doprowadzajce krew do komrek kostnych. Osteony, lec blisko siebie, tworz zbit struktur koci (rys. 2.2 i 2.3) [5, 6, 8].

Rys. 2.2. Budowa histologiczna koci [5]

14a) b) c)

Rys. 2.3. Struktura koci: a) warstwy korowe osteony z kanaami Haversa, b) warstwy gbczaste beleczki kostne, c) szpik kostny [8]

Tkanka kostna pod wzgldem anatomiczno-histologicznym zbudowana jest z trzech rodzajw komrek: osteoklastw, osteoblastw i osteocytw. Substancj midzykomrkow stanowi organiczna matryca wraz z solami organicznymi i wod. Osteoblasty wytwarzaj ko, osteocyty j utrzymuj, a osteoklasty (wyspecjalizowane makrofagi) zapewniaj jej resorpcj. Resorpcja i tworzenie koci sprawiaj, e ko tkana podlega przemianie w koncentryczn ko blaszkowat. Skadaj si na ni wkna kolagenowe, ukad kanaw Haversa oraz blaszki rdmiszowe, uoone tak, by zapewni maksymaln si koci w przeliczeniu na jej objto. Komrki wytwarzajc now tkank kostn, czyli osteoblasty, s otaczane przez zrb kostny i przemieniaj si w dojrzale osteocyty. Osteocyty wytwarzaj wypustki komrkowe suce do transportu midzykomrkowego [6, 7]. Budow mikroskopow koci przedstawia rys. 2.4 [3, 9].

Rys. 2.4. Mikroskopowa struktura koci [9]

15Od 7 tygodnia ycia podowego zaczyna si powstawanie punktw kostnienia zalkw, wok ktrych nastpuje tworzenie substancji kostnej (rys. 2.5). Na pocztku pojawiaj si one w trzonach koci dugich i szybko rozprzestrzeniaj si, by w trzecim miesicu ycia podowego obj wikszo pozostaych koci. W pierwszym okresie, ktry trwa mniej wicej do 6 roku ycia, wytworzony zostaje zgrubny szkielet, cho funkcjonalny pod wzgldem spenianych czynnoci, to jednak pozbawiony jeszcze precyzyjnej formy. Po okresie spowolnienia procesw osyfikacyjnych1), rozpoczyna si drugi okres kostnienia. Pojawiaj si wwczas tzw. wtrne punkty kostnienia, dziki ktrym koci uzyskuj delikatniejsz rzeb i osigaj swoj ostateczn posta. Z chwil zakoczenia kostnienia pocze nasad z trzonami koczy si proces wzrostu [4, 8, 11].a) b) c) d)

Rys. 2.5. Kolejne etapy kostnienia koci dugiej: a) stadium chrzstne,wski mankiet kostny wok trzonu (kolor czarny), b) nasady s jeszcze chrzstne, ale w trzonie formuje si ju siateczka kostna tkanki gbczastej, c) rdchrzstne punkty kostnienia w nasadach, pocztki jamy szpikowej w trzonie, d) chrzstka wystpuje tylko na powierzchniach stawowych i na granicy trzonu i nasad oraz pojawia si rozwinita jama szpikowa [11]

O wzrocie koci mwi prawo Delpescha-Wolfa zakadajce, e ko ulegajca naciskowi hamuje swj wzrost, natomiast ko w miejscu odcienia zaczyna szybciej rosn [1, 2, 12]. Znajc waciwoci i struktur tkanki kostnej, mona zada pytanie czy jest ona naturalnym biomateriaem? Wszystkie cechy sugeruj, e mona j tak traktowa. Tkanka kostna ma zdolno naturalnej regeneracji (oczywicie, gdy nie dojdzie do jej cakowitego1)

Osyfikacja fizj. kostnienie, proces powstawania koci w rozwoju osobniczym.

16zniszczenia). Wystpujce w jej budowie osteoblasty zbudowane w 90% z hydroksyapatytu regeneruj zamania oraz pknicia, a osteoklasty rozpuszczaj ko, nadajc jej ksztat. Wspomniany wczeniej hydroksyapatyt jest krysztaem o budowie Ca10(PO4)6(OH)2 nieorganicznym skadnikiem koci i zbw. Stanowi w nich rusztowanie zapewniajce mechaniczne waciwoci, odgrywa wan rol w odbudowie struktur kostnych, stymulujc ich rozwj. Syntetyczny hydrosyapatyt sprawdzi si jako substancja wykorzystywana do budowy protez (stosowanych np. do rekonstrukcji szczki, jak i do endoprotez biodrowych) dziki temu, i stosunek zawartoci wapnia do fosforu w hydroksyapatycie jest prawie taki sam, jak w kociach [2, 12]. Typowa ko duga zbudowana jest z tkanki kostnej oraz szpiku (rys. 2.6). Tkanka kostna wystpuje w dwch postaciach substancji kostnej zbitej oraz substancji kostnej gbczastej. Poniewa pierwsza z nich znajduje si zawsze na powierzchni koci, to nosi ona te nazw warstwy korowej [3, 4, 8].

Rys. 2.6. Budowa koci dugiej [4, 8]

17Ze wzgldu na ksztat, koci moemy podzieli na cztery grupy (tabl. 2.1) [1].Tablica 2.1Podzia koci wedug kryterium ksztatu [1]

Organiczne podoe nadaje koci du sprysto, a zawarto soli wapnia czyni j rwnie bardzo wytrzyma na ciskanie i rozciganie. Wytrzymao substancji kostnej na rozciganie jest przy tym mniejsza od wytrzymaoci na ciskanie. Na zginanie ko jest znacznie mniej odporna. Przykadowe rednie wasnoci mechaniczne czci zbitej ludzkiej koci udowej, reprezentatywne dla grupy dorosych ludzi, s nastpujce [1, 2, 10]: wytrzymao na rozciganie 107 MN/m2, graniczne wyduenie 135%, wytrzymao na ciskanie 159 MN/m2, 160 MN/m2, wytrzymao na zginanie wytrzymao na skrcanie 53 MN/m2.

18Wasnoci mechaniczne koci, a w szczeglnoci skonno do pkania, wynikaj z ich struktury anatomiczno-histologicznej zwizanej z wiekiem i zale od typu budowy koci (np. gbczasta), formy geometrycznej (np. krtkie, dugie, paskie), lokalizacji, obcienia zewntrznego i wartoci si obciajcych, ktre warunkuj rozkad napre wewntrznych koci. Due znaczenie ma zawarto kolagenu. Przykadowo, koci zawierajce du ilo kolagenu s skonne do pkni kruchoplastycznych. Natomiast w kociach osb starszych zamania maj charakter pkania kruchego. W koci poddawanej cyklicznemu, fizjologicznemu obcianiu przepyw cieczy zapewnia transport substancji odywczych i metabolitw. Przy takim poziomie naprenia stycznego, wywoanego przepywem cieczy, pobudzanie komrek kostnych nie zaburza rwnowagi pomidzy procesami tworzenia i resorpcji tkanki kostnej. Poddawanie koci obcieniu przekraczajcemu obcienia fizjologiczne powoduje nadmiern stymulacj osteoblastw. Efektem jest tworzenie tkanki kostnej. Nowo tworzona tkanka kostna przywraca fizjologiczny poziom napre w koci, co prowadzi do przerwania procesu osteoklastycznego. Zmniejszenie przepywu cieczy w strukturach kostnych, wskutek poddawania jej obcieniom niszym od fizjologicznych, powoduje redukcj transportu substancji odywczych oraz metabolitw. Prowadzi to do zmniejszenia aktywnoci yciowej komrek kostnych, czasami nawet do obumierania, inicjujc osteoklastyczny proces resorpcji koci [1, 2]. Liczba koci ustroju ludzkiego zaley od wieku. U noworodkw wynosi ona ok. 270. Wraz z pojawieniem si wtrnych punktw kostnienia liczba ta wzrasta i np. u dziecka 14-letniego wynosi ok. 350. W wieku pniejszym, po poczeniu si nasad z trzonami, liczba ta spada i wynosi u dorosego czowieka 206, po czym wraz ze zrastaniem si koci czaszki w wieku pniejszym w dalszym cigu si zmniejsza [13]. Ko ma zdolno regeneracji, czego dowodem jest moliwo jej zrastania si po zamaniu. Kluczow rol w tym procesie odgrywa okostna. Oprcz wytwarzania tkanki kostnej, ma ona rwnie zdolno odtwarzania ksztatu koci. Najatwiej regeneruj si trzony koci dugich, ubytki koci uchwy i eber, natomiast koci czaszki i koci gbczaste regeneruj si znacznie trudniej. Ko ma rwnie zdolnoci adaptacyjne potrafi dostosowywa swj ksztat i wielko do obcie i warunkw. Na przykad przy zamaniu piszczeli, druga z koci goleni, strzaka, moe zwikszy swoj grubo tak, aby przej dodatkowo pojawiajce si siy ciskajce. Z kolei dugotrway brak obcienia moe doprowadzi do zaniku koci. Naley zauway, e koci maj najwikszy wspczynnik bezpieczestwa ze wszystkich elementw biorcych udzia w budowie ukadu ruchu (mini, cigien, tkanki cznej). Wynika to nie tylko z faktu, i przenosz one znaczne obcienia dynamiczne, ale rwnie z koniecznoci dostosowania ich ksztatu do otaczajcych je mini, cigien i innych narzdw. Przykadem tego moe by trjktny przekrj piszczeli, uwarunkowany przylegajcymi do niej miniami, mimo e ze wzgldw wytrzymaociowych optymalny byby przekrj koowy [1, 9, 13].

Literatura[1] Mrozowski J., Awrejcewicz J.: Podstawy biomechaniki. d: Wydawnictwo Politechniki dzkiej 2004. [2] Marciniak J.: Biomateriay. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki lskiej 2002.

19[3] Platzer W.: Narzd ruchu. Podrczny atlas anatomii czowieka. T. 1. Brema: Wydawnictwo Medyczne Sotwiski Verlag 1995. [4] Anatomia czowieka. Red. J. Sokoowska-Pituchowa. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2005. [5] Cichocki T., Litwin J. A., Marecka J.: Kompendium histologii. Krakw: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagielloskiego 2002. [6] Greek W. B.: Ortopedia Nettera. Wrocaw: Elsevier Urban & Partner 2007. [7] Schneider R. A., Miclau T., Helms J. A.: Embryology of Bone. Orthopaedics, Philadelphia 2002. [8] Smith J.: Ciao czowieka. Warszawa: ZETDEZET 1995. [9] Bdziski R.: Biomechanika inynierska. Zagadnienia wybrane. Wrocaw: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej 1997. [10] Bdziski R., Wall A.: I Sympozjum IOP 97. Biaystok 1997. [11] Bochenek A., Reicher M.: Anatomia czowieka. Warszawa: Pastwowy Zakad Wydawnictw Lekarskich 1990. [12] Biocybernetyka i inynieria biomedyczna 2000. Red. M. Nacz. T. 4. Biomateriay. Warszawa: PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 2003. [13] Calais-Germain B., Anderson S.: Anatomy of movement. Seattle: Eastland Press 1993.

Rozdzia 3

UKAD MINIOWY CZYNNY NARZD RUCHU

Tkanka to zesp komrek podobnie zrnicowanych i ich pokolenia. W zalenoci od tego, jakie komrki wchodz w skad tkanki, wyrnia si rne rodzaje tkanek: nabonkowa, czna, miniowa, nerwowa i krew [1]. Najbardziej charakterystyczn cech tkanki nabonkowej jest cise przyleganie do siebie tworzcych j komrek; jedyn form substancji midzykomrkowej s blaszki podstawne. Zespoy komrek nabonkowych tworz dwa zasadnicze rodzaje struktur: wyciki nabonkowe i gruczoy. Wyciki nabonkowe pokrywaj zewntrzne i wewntrzne powierzchnie organizmu, kontaktujce si (bezporednio lub porednio) ze rodowiskiem zewntrznym (skra, spojwki i rogwka, drogi pokarmowe, oddechowe, moczowe i rozrodcze) oraz z pynami ustrojowymi (naczynia krwionone i limfatyczne, jamy ciaa). Gruczoy s natomiast skupiskami komrek nabonkowych, o zrnicowanej wielkoci i budowie, wyspecjalizowanymi w penieniu funkcji wydzielniczej.Tablica 3.1Zestawienie typw, funkcji i lokalizacji nabonkw [2]Typ nabonka jednowarstwowy paski jednowarstwowy szecienny jednowarstwowy walcowaty wieloszeregowy Gwne funkcje barierowa barierowa, resorpcyjna, wydzielnicza barierowa, resorpcyjna, wydzielnicza ochronna, wydzielnicza, zmysowa ochronna ochronna ochronna Przykadowa lokalizacja naczynia (rdnabonek), pcherzyki pucne (pneumocyty), kanaliki porednie nerki, jamy ciaa (mezotelium) kanaliki nerkowe, gruczoy, nabonek powierzchniowy soczewki i jajnika cewka pokarmowa, drogi ciowe i rozrodcze, gruczoy

drogi oddechowe, przewd najdrza, kubki smakowe, obszary receptoryczne ucha wewntrznego skra (rogowaciejcy), jama ustna, gardo, przeyk, odbyt, pochwa, rogwka przewody wyprowadzajce gruczow potowych strefy przejciowe midzy nabonkiem jednowarstwowym, walcowatym a wielowarstwowym paskim (nagonia, wpust, odbyt), cewka moczowa, przewody wyprowadzajce duych gruczow, spojwka drogi moczowe

wielowarstwowy paski wielowarstwowy szecienny wielowarstwowy walcowaty

wielowarstwowy (urotelium)

ochronna, barierowa

21Nabonki nigdy nie zawieraj naczy krwiononych; tlen i substancje odywcze docieraj do nich na drodze dyfuzji z naczy znajdujcych si w pod- lub okoonabonkowej tkance cznej. Zestawienie typw, funkcji i lokalizacji nabonkw przedstawia tabl. 3.1, natomiast typy nabonkw ukazuje rys. 3.1 [2].

Rys. 3.1. Typy nabonkw: A jednowarstwowy paski; B jednowarstwowy szecienny; C jednowarstwowy walcowaty; D wieloszeregowy; E dwuwarstwowy (wielowarstwowy) szecienny; F wielowarstwowy paski; G wielowarstwowy walcowaty; H przejciowy drg moczowych [2]

22Tkanka czna rozwija si z mezenchymy wywodzcej si z mezodermy, a w niektrych obszarach gowy i szyi take z neuroektodermy. Jak sama nazwa wskazuje, tkanka ta czy, utrzymuje i podpiera inne tkanki ustroju. Jej moliwoci mechaniczne wynikaj z obfitoci i waciwoci fizycznych substancji (istoty) midzykomrkowej cechy wyrniajcej tkank czn od innych tkanek ustroju. Drugim skadnikiem tej tkanki s komrki; ich czynno warunkuje powstawanie istoty midzykomrkowej i decyduje o mechanizmach obronnych ustroju. Komrki tkanki cznej mog gromadzi substancje zapasowe (lipidy) i wytwarza liczne mediatory regulujce czynno innych komrek. Istnieje wiele odmian tkanki cznej, ktre rni si budow i przystosowane s do penienia rnych funkcji. Wyspecjalizowanymi odmianami tkanki cznej s chrzstka, ko i krew [2]. Przykady tkanek cznych pokazuj rys. 3.2 i 3.3.

Rys. 3.2.Tkanka czna siateczkowa [3]

Rys. 3.3. Tkanka czna waciwa skry [3]

Ponad 40% masy czowieka stanowi minie, za porednictwem ktrych wykonywane s wszystkie nasze czynnoci fizyczne.

Rys. 3.4. Ksztaty mini. Przebieg wkien miniowych w stosunku do cigna [4]

23Misie skada si z czci zbudowanej z wkien miniowych otoczonych cznotkankow omisn wewntrzn (perimysium internum), tworzcych cao otoczon oson zwan omisn zewntrzn (perimisium externum), oraz ze cigien przymocowujcych misie do koci. W niektrych miniach, zalenie od ich ksztatu, wyrnia si cz misn brzusiec (venter) zakoczony tworzcymi cz cignist cignami (tendines). Wzajemny stosunek czci misnej i cignistej jest rny, std rne ksztaty i rne nazwy mini: wrzecionowaty, dwubrzusiec, dwugowe, trjgowe, czworogowe, paski (rys. 3.4) [2, 4, 5]. Przyczep minia do koci lecy bliej tuowia jest przyczepem pocztkowym (origo), przyczep dalej pooony jest przyczepem kocowym (insertio). Zazwyczaj przyczep kocowy jest bardziej ruchomy ni pocztkowy, odwrotnie moe by przy zmianie kierunku ruchu. Ukad wkien miniowych w stosunku do cigna jest rny. W miniu wrzecionowatym wkna s uoone rwnolegle wzgldem siebie, a cigna s przedueniem kierunku wkien. W miniu pierzastym wkna misne biegn skonie do cigien, przy czym jedno cigno jest pojedyncze, a drugie rozdwojone. W miniu ppierzastym wkna misne biegn skonie w stosunku do obu cigien [4, 5]. Misie jest maszyn biochemiczn pracujc w staej temperaturze. Nawet izolowany, utrzymywany sztucznie poza organizmem, moe podnie ciar o masie 2000 razy wikszej od jego masy wasnej [6]. Reaguje na bodce pynce z ukadu nerwowego skurczem (contractio). Wkno miniowe moe skrci si pod wpywem skurczu do 50% swej dugoci spoczynkowej (rys. 3.5). Przy skurczu wytwarza si energia cieplna oraz energia mechaniczna, dziki ktrej jest moliwy ruch. Podstawowym warunkiem pracy minia jest jego czno z orodkowym ukadem nerwowym. Minie s unerwione przez wkna nerwowe wychodzce z komrek motorycznych przednich rogw rdzenia krgowego oraz przez wkna czuciowe, biegnce zazwyczaj razem z ruchowymi w jednym i tym samym nerwie. Misie nawet w stanie spoczynku ma pewien stopie napicia (tonus), zaleny od bodcw pyncych z ukadu nerwowego. Przy braku bodcw dochodzi do zniesienia napicia, mamy wwczas do czynienia z wiotkim poraeniem mini [4, 5].

Rys. 3.5. Komrka miniowa gadka w stanie spoczynku i skurczu [2]

24Pod wpywem dziaajcego na komrk miniow pojedynczego bodca, o sile progowej lub wikszej od progowej, jej bona komrkowa ulega depolaryzacji, po ktrej nastpuje skurcz caej komrki. Bodziec podprogowy nie wywouje depolaryzacji bony komrkowej i komrka miniowa nie kurczy si. Komrka miniowa odpowiada na bodziec zgodnie z prawem wszystko albo nic, to znaczy pod wpywem kadego bodca o intensywnoci progowej lub wikszej od progowej reaguje maksymalnie, nie odpowiada za na bodce podprogowe (rys. 3.6) [5, 7].a) b)

Rys. 3.6. Skurcz pojedynczy minia poprzecznie prkowanego: a) skurcz izotoniczny; b) skurcz izometryczny. Bodziec (B) wyzwala czynnociowy potencja elektryczny w komrce oraz zmian dugoci minia (a) lub napicia minia (b) [7]

Fizyczne i biologiczne waciwoci mini [5, 8, 9]1. Kady misie jest sprysty, tzn. mona go rozciga biernie, ale szybko wraca do pozycji wyjciowej. Sprysto nie jest wartoci sta. Maleje ona przy zmczeniu miniowym, a take wraz z wiekiem. 2. Po mierci minie ulegaj stwardnieniu, co nazywamy steniem pomiertnym, polegajcym na zmianach fizyko-chemicznych biaek miniowych. 3. Kade wkno miniowe wykazuje pewien stan napicia napicie spoczynkowe. Jest to zwizane z autonomicznym ukadem nerwowym. Napicie spoczynkowe spada w czasie snu, a cakowicie jest eliminowane w tzw. stanach patologicznych, zwanych poraeniem wiotkim (przerwanie minia ruchowego). Napicie miniowe moe si zwikszy w stanach patologicznych poraenie spastyczne, a wic poraenie centralnego ukadu nerwowego. 4. Misie moe skrci si do 50% swojej dugoci, np. w trakcie pobudzenia.

Wasnoci mechaniczne minia [5, 8, 9]1. Odksztaca si pod wpywem siy obciajcej. 2. Modu Younga nie jest stay, jego warto ronie w miar odksztacania minia.

253. Przy zwalnianiu siy odksztacajcej obserwuje si zjawisko histerezy (pole objte ptl histerezy jest miar pracy zuytej na pokonanie oporw tarcia minia, a wydzielonej w postaci ciepa). 4. Przy maych odksztaceniach misie wykazuje cechy cieczy lepkiej, dopiero przy wikszych odksztaceniach pojawiaj si w miniu wasnoci spryste.

Rys. 3.7. Obraz przekroju podunego i poprzecznego minia szkieletowego [2]

Rys. 3.8. Tkanka miniowa gadka w przekroju podunym i poprzecznym [2]

Rys. 3.9. Obraz minia sercowego w przekroju podunym i poprzecznym [2]

Komrki miniowe zawieraj do kilkunastu jder, mitochondria i inne typowe skadniki cytoplazmy. Oglnie jednak wkno miniowe skada si z zespou rwnolegych wkienek zwanych miofibrylami, ktre z kolei zbudowane s z powtarzajcych si segmentw zwanych sarkomerami.

26Najistotniejszy podzia odnosi si do budowy wewntrznej mini i spenianych przez nie funkcji [6]: minie szkieletowe (rys. 3.7), czyli poprzecznie prkowane, minie gadkie (rys. 3.8), misie sercowy (rys. 3.9). Tkanka nerwowa spenia w organizmie rol najwaniejszego i najszybszego systemu sterowania i cznoci, dziki szczeglnie dobrze wyksztaconym waciwociom: pobudliwoci, czyli zdolnoci wytwarzania bodcw i reagowania na nie, oraz przewodnictwu, czyli moliwoci ich przekazywania nawet na bardzo dalekie odlegoci (rys. 3.10). Tworz one dwa gwne systemy: orodkowy ukad nerwowy, zoony gwnie z wkien nerwowych przekazujcych informacje do centrum i rozkazy z centrum do narzdw wykonawczych (minie, gruczoy) [2]. Ukad nerwowy koordynuje i reguluje czynnoci narzdw w organizmie i umoliwia jego dostosowanie si do otoczenia i zachodzcych w nim zmian.

Rys. 3.10. Schemat uku odruchowego [4]

Rys. 3.11. Typy komrek nerwowych: A jednobiegunowa, B pseudojednobiegunowa, C dwubiegunowa, D wielobiegunowa; n akson, d dendryt [2]

27Tkank nerwow tworz dwie populacje komrek o wsplnym, neuroektodermalnym pochodzeniu: komrki (neurony) (rys. 3.11) i komrki glejowe; wystpuj w niej take komrki niezrnicowane (macierzyste). Substancja midzykomrkowa ograniczona jest do blaszek podstawnych wytwarzanych przez komrki glejowe bardzo nielicznych w centralnym ukadzie nerwowym, natomiast powszechnie wystpujcych w ukadzie obwodowym [2]. Ukad krenia moemy porwna do systemu wodocigowego albo ukadu transportujcego wod i substancje odywcze w drzewie. Substancj transportow jest w organizmie ludzkim krew (tkanka pynna) ju przez staroytnych uwaana za esencj ycia. Rzeczywicie, ten yciodajny pyn zawiera niezbdne skadniki odywcze (gwnie glukoz, aminokwasy, tuszcze) oraz tlen, konieczny do spalania niektrych z tych zwizkw i przenoszony za pomoc hemoglobiny czerwonego barwnika krwi. Ukad krenia krwi pokazuje rys. 3.12 [10].

Rys. 3.12. Ukad krenia krwi (Z ya, T ttnica) [10, 11]

Z krwi speniajcej rol przewonika korzysta te ukad dokrewny (uwalniajc do niej hormony) oraz ukad immunologiczny (transport komrek tego ukadu i przeciwcia). Nie mona te zapomnie o rozprowadzaniu przez krew ciepa oraz zbieraniu z caego organizmu kocowych elementw przemiany materii, w tym dwutlenku wgla.

28W osoczu znajduj si rnego rodzaju ciaka, spord ktrych kade spenia okrelon funkcj (rys. 3.13) [12, 13]: + krwinki czerwone erytrocyty transportuj tlen z puc do komrek i dwutlenek wgla, pochodzcy z metabolizmu komrek, w odwrotnym kierunku; + krwinki biae leukocyty rne rodzaje tworz cz ukadu odpornociowego i chroni organizm przed infekcjami; + pytki krwi trombocyty uczestnicz w procesie krzepnicia krwi, zapobiegajc krwotokom;

Rys. 3.13. Od lewej: erytrocyt, trombocyt, leukocyt [12]

Najwaniejszymi elementami ukadu krenia s: serce system dwu pomp (lewej i prawej komory serca) toczcych krew do caego ukadu (dokadniej: do krenia duego i maego), oraz naczynia krwionone ttnice, przez ktre krew wydostaje si z serca, i yy, transportujce krew do serca. Wyrnia si dwa ukady (krenia) przepywu krwi w organizmie: duy i may (pucny). Serce skada si z czterech jam: dwch komr i dwch przedsionkw. Wyrniamy odpowiednio praw komor i prawy przedsionek oraz lew komor i lewy przedsionek (rys. 3.14). Struktury te oddzielone s od siebie przegrod i w rzeczywistoci tworz dwie niezalene pompy, toczce krew do krenia duego (serce lewe) oraz krenia maego, czyli pucnego (serce prawe). W duym ukadzie krenia krew utlenowana (bogata w tlen) wypywa z lewej komory serca do ttnic, a nastpnie przechodzc przez sie naczy wosowatych we wszystkich narzdach ciaa, powraca jako krew nieutlenowana (uboga w tlen) do prawego przedsionka serca. W maym ukadzie krenia krew nieutlenowana wypompowywana jest z prawej komory do ttnic pucnych, rozgazia si w sie naczy wosowatych w pucach i powraca yami pucnymi, jako krew utlenowana, do lewego przedsionka serca. Przedsionki przegrodzone s od komr zastawkami, niepozwalajcymi na cofanie si krwi. Podobne, jednokierunkowe zastawki znajduj si pomidzy komorami a wychodzcymi z nich ttnicami [10].

29

Rys. 3.14. Serce: 1) prawy przedsionek, 2) lewy przedsionek, 3) ya gwna grna, 4) uk aorty, 5) lewa ttnica pucna, 6) ya pucna dolna, 7) zastawka mitralna, 8) zastawka aortalna, 9) komora lewa, 10) komora prawa, 11) ya gwna dolna, 12) zastawka trjdzielna, 13) zastawka pnia pucnego [12]

Serce u dorosego czowieka ma mas okoo 300 g i ksztat stoka. Jest ukryte w worku osierdziowym, a na jego powierzchni znajduje si warstwa tuszczu nadajca mu t barw. Wewntrz wycieane jest tzw. wsierdziem, gadk bon pokrywajc rwnie zastawki. W sercu bierze pocztek lub znajduje koniec szereg duych naczy. Z lewej komory wychodzi najwiksza ttnica, zwana ttnic gwn bd aort. Ma okoo 2,53 cm rednicy. Z kolei ujciem prawej komory jest pie pucny, dzielcy si tu po wyjciu z serca na ttnic pucn praw i lew. Krew z caego organizmu zbieraj yy, z ktrych najwiksze uchodz do serca: do prawego przedsionka wpywa krew z yy gwnej grnej i dolnej, natomiast do lewego przedsionka krew z y pucnych. Korzystajc z analogii porwnujcej ukad krenia do drzewa, ttnic gwn (aort) mona przyrwna do pnia, jej gwne gazie (np. ttnice szyjne wsplne, podobojczykowe, ttnice wiecowe, krezkowe grne i dolne, pie trzewny, ttnice nerkowe i biodrowe wsplne) stanowi konary. Drobniejsze rozgazienia dziel si jeszcze bardziej, tworzc w rezultacie woniczki (naczynia wosowate) najmniejsze naczynia krwionone bdce pomostem pomidzy ukadem ttniczym a ylnym [5, 11]. Zwizek ukadu krwiononego z innymi ukadami jest bardzo cisy i waciwie oczywisty. aden ukad czy pojedynczy narzd nie mgby dziaa bez dostarczenia tlenu i skadnikw odywczych (paliwa). Dzieje si tak wanie dziki pracy ukadu krwiononego, ktry najcilej jest zwizany z ukadem oddechowym. Najwaniejszym zadaniem transportowym krwi jest dostarczanie tlenu do komrek, std cise powizanie pracy serca i puc. Stopie powizania tych dwch ukadw wida w przebiegu rnych chorb ukadu krenia czy oddychania, kiedy obcienie jednego z nich znaczco wpywa na drugi. Dzieje si tak np. przy zapaleniu puc, ktre stanowi due obcienie dla serca i moe nawet spowodowa jego niewydolno [5, 12].

30

3.1. Ocena biozgodnoci w tkankach mikkichOrganizm moe zareagowa na implant rnymi typami reakcji miejscowej. Do najbardziej znanych nale: wchanianie, wydalanie i otorbienie [8]. Proces wgajania si wszczepw zaley od ich ksztatu i struktury. Implanty dziane, gbczaste i porowate wgajaj si przez przerastanie ich wrastajc tkank czn, niezalenie od tego, czy s one nieresorbowalne czy resorbowalne. Implanty lite wgajaj si przez cakowite lub czciowe otorbienie tkank czn. W bezporednim ssiedztwie implantu mog znajdowa si komrki erne, jednake ich ilo uzaleniona jest od dziaania dranicego wszczepu i obecnoci drobin wszczepionego materiau. Dotyczy to rwnie gruboci wytworzonej torebki cznotkankowej wok implantu. Im bardziej implant pod wzgldem swoich waciwoci fizykochemicznych jest obojtny, tym mniejsza jest reakcja miejscowa organizmu, a proces wgajania przebiega prawie bez odczynu zapalnego. Charakteryzuje si on krtk i mao nasilon faz wysikow, ktra szybko przechodzi w faz proliferacyjn, prowadzc do wytworzenia si cienkiej wknistej torebki cznotkankowej. Mona wtedy stwierdzi, ze implant charakteryzuje si wysokim stopniem biozgodnoci [1416].

3.2. Transplantacja tkanek i narzdwPocztki transplantologii sigaj pnego redniowiecza, kiedy to poszkodowanym onierzom leczono rany przez dokonywanie przeszczepw skry pobranej z innej czci ich ciaa. Transplantacja tkanek i narzdw jest do powszechnie akceptowan w wiecie metod ratowania zdrowia i ycia czowieka. Postp w zakresie wiedzy medycznej i chirurgii transplantacyjnej w ostatnich latach doprowadzi do znacznego zmniejszenia ryzyka operacji i znacznej poprawy wynikw leczenia [17]. Obecnie moliwe jest dokonywanie przeszczepw: nerki, serca, trzustki, wtroby i jelit (rys. 3.15).a) b) c)

Rys. 3.15. Przykady narzdw przeszczepianych: a) serce, b) skra, c) wtroba [12]

31Rozrnia si [8, 9]: 1) przeszczepy autogeniczne, tzn. przeszczepianie np. skry w obrbie tego samego organizmu, 2) przeszczepy homogeniczne, z jednego osobnika, ktry jest dawc np. nerki dla drugiego osobnika, ktry jest biorc, 3) przeszczepy heterogeniczne, to znaczy midzy osobnikami rnych gatunkw, 4) przeszczepy sztucznych narzdw, np. przeszczep sztucznego serca (dokonany w 1988 przez Relig w Klinice Kardiochirurgii w Zabrzu). Tkanki do przeszczepw s przechowywane w odpowiednich bankach tkanek. Du rol odgrywaj przy przeszczepianiu specyficzne waciwoci immunologiczne organizmu (wicej w rozdz. 5). Niekiedy organizm biorcy po pewnym czasie odrzuca przeszczep na skutek niezgodnoci biochemicznej i immunologicznej.

Literatura[1] Traczyk W.: Fizjologia czowieka w zarysie. Wyd. 8. Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2005. [2] Cichocki T., Litwin J. A., Marecka J.: Kompendium histologii. Krakw: Wydawnictwo Uniwersytetu Jagielloskiego 2002. [3] Platzer W.: Narzd ruchu. Podrczny atlas anatomii czowieka. T. 1. Brema: Wydawnictwo Medyczne Sotwiski Verlag 1995. [4] Anatomia czowieka. Red. J. Sokoowska-Pituchowa. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2005. [5] Pawlicki A.: Podstawy inynierii medycznej. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1997. [6] Mrozowski J., Awrejcewicz J.: Podstawy biomechaniki. d: Wydawnictwo Politechniki dzkiej 2004. [7] Traczyk W. Z.: Fizjologia czowieka w zarysie. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL 2007. [8] Biocybernetyka i inynieria biomedyczna 2000. Red. M. Nacz. T. 4. Biomateriay. Warszawa: PAN, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 2003. [9] Marciniak J.: Biomateriay. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki lskiej 2002. [10] Ciewierz D.: Wybrane pojcia z kardiologii. Gdask: Wydawnictwo Medyczne MAKmed 1996. [11] Pustkowski M.: ABC ukadu krenia. RES MEDICA, III 2000. [12] http://anatomiac.w.interia.pl/ukl_kra.html [13] Marciniak J., Paszenda Z.: Biotolerancja biomateriaw metalicznych. Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia krgosupa. Systemem DERO. Red. L. F. Ciupik, D. Zarzycki. Polska Grupa DERO, Stowarzyszenie Studiw i Bada Krgosupa, 2004, 133142. [14] Paluch D., Pielka S., Szosland L., Staniszewska-Ku J., Szymonowicz M., Solski L., ywicka B.: Wkna z regenerowanej chityny. Badania biologiczne. Inynieria Biomateriaw, 2000, 3, 12, 1722. [15] Paluch D., Szosland L., Staniszewska-Ku J., Solski L., Gbarowska E.: Ocena biologiczna wkien chitynowych. Polimery w Medycynie, XXX, 2000, 34, 331. [16] Staniszewska-Ku J., Rutkowski R., Paluch D.: Badanie odczynu tkanek na nici chirurgiczne z zastosowaniem wasnej metody punktowej. Polimery w Medycynie, XXVII, 1997, 12, 315 [17] Gral R.: Zarys chirurgii. Podrcznik dla studentw medycyny. T. I. Warszawa: PZWL 1987.

Rozdzia 4

BIOMATERIAY

4.1. Biomateriay pojciaLiczne organizmy ywe roliny, zwierzta i ludzie wytwarzaj swoje biomineralne szkielety kostne, bdce ceramicznymi kompozytami zbudowanymi w warunkach naturalnych. Do ich budowy wykorzystywane s materiay dostpne w najbliszym otoczeniu, rodowisko wodne i temperatura otoczenia. Przykadem moe by muszla perowa may, skorupki jaj ptasich, czy te nasze koci i zby (zbina i emalia zbowa). Biomineray skadaj si z elastycznej matrycy organicznej, gwnie z wknistych protein i/lub polisacharydw, wewntrz ktrych indukowany jest wzrost fazy mineralnej. Organizmy ywe s zdolne wytwarza ponad 60 rnych mineraw (nie wszystkie su do budowy szkieletw). Najbardziej rozpowszechnionymi i najlepiej zbadanymi biomineraami s wglany wapniowe, fosforany wapniowe i biokrzemiany. Twarde biomineray wykazuj lepsze waciwoci mechaniczne. Analizujc biomineray produkowane przez ywe organizmy, dy si do otrzymania nowych materiaw metodami obserwowanymi w przyrodzie. Bywaj one naladowane i uywane przy wytwarzaniu nowych materiaw kompozytowych, ktre wwczas uzyskuj oczekiwane waciwoci fizyczne, elektryczne lub mechaniczne, nieosigalne przez technologie konwencjonalne. Takie wytwarzanie materiaw syntetycznych nazywa si mimetycznym, poniewa naladuje ono naturalne rodowisko biologiczne, mimo e odbywa si poza nim. Przykad podany jest na rys. 4.1 [1].

Rys. 4.1. Proces biomimetyczny narastanie hydroksyapatytu [1]

33Jedn z podstawowych grup materiaw nowej generacji we wspczesnym wiecie i technice s materiay funkcjonalne. Wrd nich duy postp dokonuje si w zakresie tworzyw o specjalnych waciwociach fizykochemicznych, zwaszcza biomateriaw. Biomateriay stanowi specyficzn grup materiaw o rnym skadzie, budowie i waciwociach, wyrniajcych si specyficzn cech, a mianowicie, e s akceptowane przez organizm ludzki, za niektre z nich (ceramika hydroksyapatytowa, bioszka, modyfikowane materiay wglowe) cz si trwale z yw tkank lub bior udzia w jej regeneracji. Wedug European Society for Biomaterials: biomateria to kada substancja (inna ni lek) albo kombinacja substancji pochodzenia syntetycznego lub naturalnego, ktra moe by uyta w dowolnym czasie, w caoci lub czci celem leczenia, powikszenia lub zastpienie tkanek narzdu, organu lub funkcji ustroju1) [2]. Prby wszczepiania obcych materiaw do tkanek ludzkich sigaj praktycznie pocztkw medycyny. Stosowane byy rne materiay drewno, koci zwierzt, metale szlachetne (zoto, srebro). Na rys. 4.2 pokazane s przykady zastosowania biomateriaw w implantacji [3].

Rys. 4.2. Przykady zastosowania biomateriaw w implantacji w organizmie czowieka [3]

W inynierii biomateriaw mona wydzieli podstawowe grupy tworzyw o odmiennych waciwociach, ktre w okrelonych zastosowaniach funkcjonalnych mog by wykorzystane w ukadzie biomateriaw kompozytowych. Wyrnia si nastpujce grupy biomateriaw [4]: metalowe, ceramiczne, polimerowe,Biomaterials Consensus Conference at the National Institute of Health, Clinical Applications of Biomaterials. NIH Consens Statement Online 1982 Nov 13, 4(5):119: a biomaterial was defined as any substance (other than a drug) or combination of substances, synthetic or natural in origin, which can be used for any period of time, as a whole or as a part of a system which treats, augments, or replaces any tissue, organ, or function of the body.1)

34 wglowe, kompozytowe. Natomiast inna klasyfikacja przedstawia [5, 6] biomateriay ze wzgldu na ich zachowanie w organizmie: materiay obojtne (prawie obojtne) niewywoujce adnej lub prawie adnej reakcji otaczajcej tkanki; do grupy tej zalicza si przede wszystkim metale i ceramiki, materiay aktywne dobrze wi si z otaczajc tkank i stymuluj rozwj nowego, zregenerowanego organu; do grupy tej mona zaliczy ceramiki i metale, materiay ulegajce rozkadowi w rodowisku organizmu ludzkiego po okrelonym czasie dziaania materiay takie rozpuszczaj si w otaczajcej tkance i zostaj przez ni wchonite, nie powodujc jej uszkodzenia lub zmian patologicznych; do grupy tej zaliczy mona przede wszystkim odpowiednie gatunki polimerw. Jeszcze inny podzia tworzyw stosowanych w medycynie na implanty, opierajcy si na czasie ich bezpiecznego dla organizmu pacjenta uytkowania, przedstawia askawiec i Michalik [7]. Zgodnie z tym implanty dzieli si na: krtkotrwae, dla ktrych czas przebywania w rodowisku tkankowym nie powinien przekroczy dwch lat (przykadem mog by stale austenityczne), dugotrwae, ktrych czas przebywania w rodowisku tkankowym moe znacznie przekroczy dwadziecia lat. Czas bezpiecznego uytkowania implantw zaley od wielu czynnikw takich, jak biotolerancja, odporno korozyjna czy te waciwoci mechaniczne, dlatego czas bezpiecznego uytkowania okrela si osobno dla kadego biomateriau, biorc pod uwag jego waciwoci uytkowe oraz funkcje, jakie bdzie spenia. Z biomateriaw wytwarzane s rne postacie uytkowe implantw (rys. 4.3).

Rys. 4.3. Endoproteza stawu biodrowego [4]

35Implantami (rys. 4.4) nazywamy wszelkie, wykonywane z jednego lub wicej biomateriaw przyrzdy medyczne, ktre mog by umieszczone wewntrz organizmu, jak rwnie czciowo lub cakowicie pod powierzchni nabonka, mogce pozosta przez duszy okres w organizmie [8].a)

b)

c)

Rys. 4.4. Endoprotezy stawu biodrowego: a) trzon Ti-6Al-4V, podwjna powoka natryskiwana plazmowo (hydroksyapatyt); gwka ceramika; b) trzon stal austenityczna; gwka stal austenityczna lub ceramika ZrO2; zamocowanie cement; c) trzon stop tytanu z powok hydroksyapatytow; gwka stal austenityczna lub ceramika [9]

36Niekiedy stosowane nazwy implantw nawizuj do dziedziny medycznego ich zastosowania lub konkretnego umiejscowienia. Do takich okrele m.in. zaliczy mona implant ortopedyczny (rys. 4.5), stosowany, aby wspomc ko, chrzstk, wizada, cigna lub powizane z nim tkanki, albo zastpujcy lub uzupeniajcy tymczasowo brak na stae tkanki [4].

Rys. 4.5. Przykady endoprotez stawu kolanowego [9]

4.2. Degradacja biomateriawBiomateria powinien si cechowa wymagan biotolerancj (biokompatybilnoci). Definiuje si j jako zgodno biologiczn. Oznacza to harmoni interakcji w obrbie materii oywionej. Biomateria o optymalnej biotolerancji nie wywouje ostrych lub chronicznych reakcji czy stanu zapalnego i nie przeszkadza naleytemu rnicowaniu amputowanego otoczenia tkanek. Najczciej pojcie biotolerancji wie si z inicjowaniem reakcji toksykologicznych i immunologicznych oraz efektami dranienia tkanek [8, 10]. Wystpienie w organizmie ywym ciaa obcego pobudza wiele mechanizmw majcych na celu jego usunicie. Gdy obca substancja, w tym przypadku implant, zostaje wykryta przez ukad immunologiczny, organizm rozpoczyna produkcj protein (antycia) o silnym dziaaniu utleniajcym. Antyciaa gromadz si w pobliu wszczepu i absorbuj do biomateriau. Reakcja obronna organizmu staje si jedn z przyczyn wystpienia degradacji implantu [11]. Korozja jest jednym z gwnych problemw wystpujcych przy wykorzystywaniu metali jako materiau do produkcji rnego rodzaju implantw. Korozja implantw w rodowisku pynw ustrojowych wynika gwnie z jego agresywnego charakteru. Warunki panujce w organizmie mog zosta przyrwnane do sonego rodowiska morskiego.

37W pynach ustrojowych wystpuj m.in. jony chloru, sodu, potasu, wapnia i magnezu oraz fosforany. Agresywno rodowiska pynw ustrojowych potguje rwnie wystpowanie w nich organicznych skadnikw, np. protein [12]. Naley rwnie pamita o staej, stosunkowo wysokiej temperaturze organizmu, wystpujcych obcieniach i warunkach trybologicznych, w jakich musi pracowa implant. W normalnych warunkach pH organizmu wynosi ok. 7,4, jednak w przypadku wprowadzenia ciaa obcego warto pH w miejscu wszczepu moe wykazywa odczyny kwane. Wszystkie te cechy tworz z ywego organizmu rodowisko bardzo wymagajce, ktremu nie kady materia jest w stanie sprosta [6, 10]. Wspczenie stosowane materiay wymagan odporno korozyjn osigaj dziki wytworzeniu na swojej powierzchni warstwy tlenkw, bdcych inhibitorem procesw korozyjnych. Oznacza to wytworzenie na powierzchni cienkiej warstwy pasywnego filmu, ograniczajcego prdko procesw destrukcyjnych. Narastanie warstwy tlenkowej trwa kilka sekund. W przypadku tytanu narastanie warstwy pasywnej rozpoczyna si natychmiast po ekspozycji materiau na dziaanie tlenu. W czasie jednej sekundy warstwa osiga grubo 25 nm i wzrasta z upywem czasu ostatecznie osigajc grubo 610 nm. Podstawowymi reakcjami zachodzcymi zawsze w przypadku korozji s reakcje katodowe i anodowe. Reakcja anodowa pociga za sob utlenianie powierzchni materiau, dostarczajc do otoczenia jony metali. Z kolei reakcja katodowa uzaleniona jest od wystpujcego elektrolitu. Wywouje ona procesy redukcji, wykorzystujc do tego elektrony generowane w procesach anodowych. Pojawienie si korozji w wyniku procesw elektrochemicznych moliwe jest w chwili wystpienia rwnowagi pomidzy procesami anodowymi i katodowymi. Niemniej, im wyszy potencja elektrochemiczny metalu, tym jest on bardziej odporny na zachodzce w rodowisku pracy procesy korozyjne [10, 13, 14]. Wystpienie korozji z klinicznego punktu widzenia moe prowadzi do [6, 13, 14]: ograniczenia okresu pracy implantu w organizmie, ograniczenia moliwoci przenoszenia wymaganych obcie, produkty korozji mog prowadzi do wystpienia niepodanych reakcji biologicznych prowadzcych do odrzucenia wszczepu, jony metali uwalniane do otaczajcych tkanek mog mie dziaanie toksyczne, moliwo wystpienia blu w wyniku uwolnienia do otaczajcych tkanek produktw korozji (bez wystpienia stanu zapalnego). Bardzo istotnym zagadnieniem, z punktu widzenia waciwego funkcjonowania implantu, jest zapewnienie odpowiednio wysokiej trwaoci w rodowisku pynw ustrojowych [12]. Stosowane obecnie w implantologii tworzywa, wszczepione do rodowiska tkanki ywej, podlegaj, w zalenoci od rodzaju materiau i czynnika destrukcyjnego, niszczeniu o zrnicowanej intensywnoci. Tabl. 4.1 przedstawia mechanizmy niszczenia stosowanych obecnie w medycynie materiaw [1517]. Analiza powyszych danych wykazuje, e w przypadku tworzyw ceramicznych niektre procesy ich niszczenia nie wywouj niekorzystnych reakcji ze strony organizmu. Najkorzystniejsze reakcje wystpuj w przypadku implantacji bioszkie powstania silnego poczenia pomidzy implantem a koci, oraz materiaw resorbowalnych prowadz do odbudowy tkanki kostnej. Powan wad, ograniczajc zastosowanie implantw wykonanych jedynie z materiaw ceramicznych, jest ich skonno do pkania [1518]. Tworzywa wglowe implantowane do organizmu ulegaj wchanianiu resorpcji. Wszczepiony implant zanika, nie powodujc przy tym niepodanych reakcji ze strony organizmu.

38Implanty naraone s na nastpujce rodzaje zniszczenia [6, 19, 20]: pitting, fretting, korozja szczelinowa, korozja galwaniczna, korozja midzykrystaliczna, korozja wodorowa, uszkodzenia w wyniku zmczenia materiau.Tablica 4.1Waniejsze mechanizmy niszczenia tworzyw implantacyjnych [1517]Materia tworzywa metaliczne stale austenityczne stopy kobaltu stopy tytanu materiay wglowe materiay obojtne Al2O3ZrO2 bioszka materiay resorbowalne cementy kostne polietylen poliuretany politetrafluoroetylen polistery silikony hydroele metaloprofiryny Mechanizm niszczenia korozja fizyczna korozja elektrochemiczna resorpcja pkanie cieranie korozja napreniowa pkanie hydroliza pkanie resorpcja starzenie degradacja depolimeryzacja pcznienie wysysanie cieranie Moliwe reakcje organizmu reakcje toksyczne oddziaywanie rakotwrcze stany zapalne metaloza materia obojtny dla organizmu materia obojtny dla organizmu powstawanie wizania ko-implant odbudowa tkanki kostnej

tworzywa ceramiczne

tworzywa sztuczne

reakcje toksyczne reakcje alergiczne oddziaywanie rakotwrcze stany zapalne

4.2.1. PittingPitting jest rodzajem degradacji materiaw, wynikajcym ze zuycia zmczeniowego w skojarzeniach smarowanych. W drobne pknicia zmczeniowe wciskany jest przez wsppracujce elementy smar2) pod wysokim cinieniem; cykliczne wciskanie smaru w pknicia prowadzi do wykruszenia materiau. Pitting prowadzi do znacznych zniszcze materiau (rys. 4.6). Moe by zapocztkowany wystpujcymi na powierzchni materiau rysami, powstajcymi w procesie produkcyjnym lub w trakcie transportu. W pocztkowym okresie uszkodzenie materiau moe postpowa w sposb niezauwaalny [6, 14, 20].

2) W przypadku organizmw ywych naturalny smar stanowi ciecz synowialn (ma stawowa, pyny ustrojowe), znajdujc si w torebkach stawowych i nie pozwalajc na bezporedni kontakt par ciernych.

39

Rys. 4.6. Pitting na powierzchni wykonanej za stopu NITINOL (powikszenie 200) [21]

4.2.2. FrettingFretting wystpuje w przypadku pocze spoczynkowych, w ktrych powierzchnie bdce w bezporednim styku wykonuj mikroruchy oscylacyjne (drgania). Wystpienie frettingu nie jest uwarunkowane przebywaniem materiau w rodowisku korozyjnym. Wystpienie tego rodzaju zniszczenia materiau wie si z emisj znacznej iloci produktw korozji do otaczajcych tkanek oraz moe inicjowa powstanie pkni na powierzchni wszczepu, prowadzcych do jego uszkodzenia. Ilociowo produkty korozji wywoanej frettingiem [22] s proporcjonalne do obcienia przenoszonego przez bdce w bezporednim kontakcie powierzchnie, liczby i amplitudy zmian cykli obcienia. Z kolei zwikszenie twardoci stykajcych si powierzchni wpywa na ograniczenie iloci produktw korozji wywoanych frettingiem [14, 21, 23].

4.2.3. Korozja szczelinowaKorozja szczelinowa wystpuje w chwili, gdy materia jest w pewnej czci odizolowany od rodowiska korozyjnego. Z korozj tego typu mona spotka si najczciej w przypadku stali nierdzewnych. Ogniska korozji szczelinowej s najczciej zlokalizowane pod nakrtkami lub powierzchniami elementw wzajemnie przecinajcych si (skrzyowane pyty, poczenia pyt z wykorzystaniem nakrtek). Wystpienie korozji szczelinowej prowadzi zazwyczaj do propagacji pknicia i w efekcie uszkodzenia wszczepu. Zapobieganie temu typowi degradacji materiau polega gwnie na waciwym doborze cech konstrukcyjnych wykonywanych elementw [21, 23].

4.2.4. Korozja galwanicznaKorozja galwaniczna ma miejsce, gdy dwa metale o rnym potencjale elektrochemicznym pozostaj w bezporednim styku w rodowisku elektrolitu. Intensywno tego rodzaju korozji uzaleniona jest od wielu zmiennych, jak np. wielko powierzchni styku czy rodzaj metali tworzcych ogniwo galwaniczne [6, 20].

40

4.2.5. Korozja midzykrystalicznaKorozja midzykrystaliczna jest rodzajem korozji wystpujcej na granicach ziaren. Powstaje w wyniku istnienia w stopie obszarw o zrnicowanym skadzie chemicznym. Przykadem moe by korozja stali nierdzewnych po nieprawidowo przeprowadzonej obrbce cieplnej. Zrnicowanie zawartoci chromu na granicy ziarna i w jego wntrzu prowadzi do wystpienia korozji midzykrystalicznej [14, 20, 21, 23].

4.2.6. Korozja wodorowaW wyniku wystpienia napre w metalu tworzy si paszczyzna polizgu. W wyniku polizgu nastpuje depasywacja powierzchni prowadzc do wystpienia reakcji anodowych. Reakcje te przyczyniaj si do wystpienia wakansu i w efekcie absorpcji atomw wodoru. Na powierzchni powstaego pknicia mona zaobserwowa dwa obszary: jeden zmikczony i drugi utwardzony. Interakcje pomidzy tymi obszarami prowadz do lokalnego wzrostu napre. Dodatkowo zaabsorbowany wodr zmniejsza energi kohezji pomidzy paszczyznami. Zmniejszenie tej energii oraz lokalne spitrzenie napre prowadzi do atwej propagacji pknicia [20, 21, 23].

4.2.7. Zmczenie materiauZmczenie materiau (rys. 4.7) wystpuje przy cyklicznym obcianiu i odcianiu elementu. Zmiany napre prowadz do zmiany plastycznoci materiau (jego lokalnego utwardzenia), co moe sta si przyczyn wystpienia mikropkni. Zainicjowane pknicie rozrasta si, zmniejszajc powierzchni, efektywnie przenoszc obcienie. Zwikszanie si powierzchni pknicia prowadzi w rezultacie do zniszczenia elementu [14, 20, 21, 23].

Rys. 4.7. Zniszczenie zmczeniowe [21]

41

4.2.8. Uszkodzenie mechaniczne implantuKady implant przed dopuszczeniem do produkcji przechodzi szereg prb laboratoryjnych, okrelajcych jego zdolno do przenoszenia obcie przez okrelony, moliwie dugi okres czasu. W trakcie tych prb, przeprowadzanych na maszynach symulujcych ruchy, jakie implant wykonuje w organizmie, wszczep poddawany jest dziaaniu si kilkakrotnie przekraczajcych wartoci wystpujce w warunkach rzeczywistych. Naley jednak zwrci uwag, i w urzdzeniach tych czsto nie uwzgldnia si chwilowych przecie ani wpywu specyficznego rodowiska pracy implantu. Dodatkowo ocenia si, e w przypadku ok. 5% oglnej liczby pacjentw poddawanych zabiegom implantacyjnym konieczne jest stosowanie specjalnych, indywidualnie zaprojektowanych wszczepw. Konieczno konstruowania indywidualnych protez jest czsto spowodowana daleko posunitymi zmianami patologicznymi okrelonego organu. W przypadku tego typu protez trudno jest wykonywa elementy testowe w celu przeprowadzenia wymaganych bada wytrzymaociowych, a tym samym istnieje podwyszone ryzyko przedwczesnego zuycia urzdzenia. Mona rwnie rozpatrzy sytuacj, w ktrej standardowy (handlowy) implant zostaje wszczepiony do organizmu z wystpujcymi zmianami patologicznymi, zmieniajcymi rozkad si w caym ukadzie implant-organ. W tym przypadku niekorzystny ukad si rwnie bdzie prowadzi do przedwczesnego zuycia lub cakowitego zniszczenia implantu lub miejsca osadzenia wszczepu [20, 24].a) b)

Rys. 4.8. Zamanie implantu stawu biodrowego (a) i zamanie koci udowej (b) [24]

Jak wida z rys. 4.8, niewaciwe rozoenie si w ukadzie implant-ko prowadzi moe nie tylko do zniszczenia samego implantu, lecz rwnie do uszkodzenia koci, w ktrej implant zosta osadzony.

42Wszelkiego typu implanty maj za zadanie moliwie wiernie odwzorowa mechanizmy naturalne dziaajce w organizmie. Mimo cigego rozwoju i ogromnych postpw poczynionych w implantologii, wci wystpuj pewne uwarunkowania ograniczajce ywotno wszczepu. Przykadem moe by tu smarowanie naturalnych staww. Przykadowo, w naturalnych stawach biodrowych wystpuje szereg mechanizmw smarowania uniemoliwiajcych bezporedni styk mechaniczny pomidzy par trc. Do mechanizmw tych zaliczy mona [20, 24]: hydrodynamic lubrication tworzenie klina smarnego wskutek stycznego przemieszczania si powierzchni lizgowych stawu (przy zbienej szczelinie stawowej); squeeze film lubrication zwikszenie nonoci warstwy smaru wskutek jego ciskania; weeping lubrication wyciskanie cieczy z porw chrzstki stawowej i tworzenie mikroklinw smarowych w jej zagbieniach; boosted lubrication tworzenie warstewek smarnych przez wysokoczsteczkowe skadniki cieczy synowialnej na powierzchni chrzstki stawowej. W przypadku staww bardzo due znaczenie wydaje si mie mechanizm weeping lubrication, ktrego na chwil obecn nie udao si osign w smarowaniu protez. Mechanizm ten pozwala na zachowanie braku styku powierzchni pary trcej przy chwilowym przecieniu ukadu. Brak powyszego mechanizmu skutkuje m.in. zmniejszon ywotnoci panewek staww biodrowych (rys. 4.9) [20, 24].

Rys. 4.9. Zuycie panewki stawu biodrowego [25]

Oprcz zmniejszonej ywotnoci wywoanej zuyciem par trcych implantw, utrata cech funkcjonalnych moe nastpi rwnie w wyniku aseptycznego obluzowania wszczepu, bdcego wynikiem generowania do otaczajcych tkanek produktw zuycia. Przebieg procesu aseptycznego obluzowania przedstawiono na rys. 4.10.

43

Rys. 4.10. Przebieg procesu aseptycznego obluzowania [25]

Utrata cech funkcjonalnych przez implanty, w efekcie zuycia wsppracujcych powierzchni, moe by spowodowana rwnie zmieniajcym si luzem pomidzy elementami ukadu. W wyniku tego zmianie ulegaj warunki trybologiczne oraz obcienie wszczepu. Uszkodzenie mechaniczne implantu moe zosta spowodowane rwnie osiadaniem (migracj) pionow lub poziom elementw skadowych wszczepu. Tak jak w powyszych przypadkach spowoduje to inny od projektowanego rozkad si i zmieni warunki pracy urzdzenia [25].

4.3. Prawidowe funkcjonowanie wszczepu w organizmieZapewnienie odpowiedniego do zastosowania zespou waciwoci mechanicznych jest czynnikiem decydujcym o prawidowym funkcjonowaniu wszczepu w organizmie. Jedn z szeroko stosowanych grup biomateriaw s implanty, majce na celu zapewnienie odpowiednich warunkw do odbudowy uszkodzonej tkanki kostnej lub te cakowite przejcie ich funkcji. Aby zapewni prawidowe funkcjonowanie takiego wszczepu, niezbdna jest analiza si i obcie wystpujcych w ukadzie kostnym czowieka, czym zajmuje si biomechanika [3]. Tkanki kostne czowieka uformowane s zgodnie ze szczegowymi funkcjami komrek w organizmie. Ko jest materiaem kompozytowym, w ktrym rol struktury nonej peni wkna kolagenowe, a rol osnowy spenia organiczna istota bezpostaciowa oraz substancja nieorganiczna hydroksyapatyt [3, 26]. Struktura i uksztatowanie koci w ciele czowieka dostosowane s do funkcji, ktr powinna spenia. Koci wykazuj rwnie zdolno do dostosowywania si do obcie, jakie musz przenosi. Charakterystyczn cech s rwnie silnie ukierunkowane waciwoci wytrzymaociowe przy jednoczenie stosunkowo niskiej masie [7, 20]. Waciwe okrelenie wymaga dotyczcych waciwoci mechanicznych, jakimi powinien charakteryzowa si implant, wymaga dokadnego poznania obcie, jakie wystpuj w ukadzie kostnym czowieka.

44Dobrym przykadem s badania dotyczce obcie, jakie wystpuj w stawie biodrowym jednym z najbardziej obcionych staww w organizmie czowieka. Obecnie zastosowanie znalazy nastpujce metody bada zwizanych z alloplastyk stawu biodrowego [3, 7, 20, 27]: badania metod elastooptyczn pola odksztace i napre w koci udowej przeprowadzane na modelach z materiau optycznie czuego; metoda tensometrii rezystancyjnej oglnie stosowana w badaniach odksztace; interferometria holograficzna oraz metoda holografii plamkowej umoliwiajce pomiar skadowych przemieszcze rzeczywistych koci zarwno z endoprotezami, jak i bez nich, przy rnych kierunkach obcie w paszczynie rwnolegej do powierzchni badanej koci; metoda elementw skoczonych ktra jest obecnie metod powszechnie stosowan w komputerowych obliczeniach odksztace i napre w mechanice orodkw odksztacalnych. Czst przyczyn powtrnych zabiegw operacyjnych zwizanych z endoprotezoplastyk stawu biodrowego jest jej obluzowanie wynikajce z niedostatecznie silnego i trwaego poczenia implant otaczajca tkanka kostna. Du rol tutaj odgrywaj czynniki mechaniczne. W stawie biodrowym obcienia przenoszone s przez gow koci udowej do koci gbczastej i nastpnie do koci korowej bliszej nasady. Implantacja endoprotezy doprowadza do odcienia okolicy krtarzy i przenoszenia obcie przez tkank kostn wok dalszego odcinka trzpienia. W efekcie dochodzi do zaniku kostnego wok trzpienia (stress shielding). Obluzowany implant staje si czynnikiem szlifujcym tkank kostn i potguje jej ubytek [27, 28]. Bardzo wane s zatem badania symulacyjne. Polegaj one na poddawaniu obcieniu gotowego implantu, np. endoprotezy stawu biodrowego, i okrelaniu liczby cykli do zniszczenia [27, 29]. Najczciej przeprowadzane s w zakresie maej liczby cykli. Badania te maj na celu ustalenie podstaw doboru konstrukcji nowych wszczepw, technik ich kotwiczenia, jak i weryfikacj samego materiau w warunkach pracy zblionych do rzeczywistych [30]. Zalecenia AO, ASIF oraz normy ISO przewiduj okrelenie dla metali i ich stopw o zastosowaniach biomedycznych [31, 32]: wytrzymaoci na rozciganie, granicy plastycznoci, wyduenia, moduu sprystoci, twardoci, wytrzymaoci zmczeniowej. Badania wykonuje si najczciej w rodowisku symulujcym rodowisko organizmu czowieka w temperaturze 370,5C, w roztworze soli fizjologicznej. W tabl. 4.2 przedstawione s waciwoci mechaniczne oraz gsto najczciej stosowanych tworzyw metalicznych w medycynie [3, 33, 34].

45Tablica 4.2Waciwoci mechaniczne oraz gsto najczciej stosowanych tworzyw metalicznych w medycynie w porwnaniu z waciwociami koci [33, 34]Materia (stan) Ko udowa Stal austenityczna 316L (przerobiona plastycznie na zimno) Stop Co-Cr-Mo (odlewany) Stop Co-Cr-W-Ni-Mo (odlewany) Stop Co-Ni-Cr-Mo (przerobiony plastycznie na zimno) Ti techniczny (przerobiony plastycznie na zimno) Stop Ti-Al-V (przesycony) Rm [MPa] 121,6 1000 R0,2 [MPa] 750 A5 [%] 1,41 9 E [MPa] 1,7104

Twardo [HV] 26,5 325

Rz [MPa] 290

3 [g/cm ] 7,9

2,110

5

665 860

450 310

8 10

2,210 2,010

5

300 360

250 200

7,7 9,1

5

1200

1000

10

2,210

5

450

440

8,7

680

520

10

1,110

5

130 HB

400

4,5

1000

860

10

1,210

5

321

500

4,5

4.4. Zastosowanie biomateriawZnaczny postp i rozwj rnych dziedzin chirurgii rekonstrukcyjnej i zabiegowej oraz protetyki pociga za sob ogromne zapotrzebowanie na wszelkiego rodzaju implanty. Implanty zbw, zwane te tytanowymi wszczepami rdkostnymi, zastpuj wasne utracone korzenie zbw najczciej z powodu urazw, prchnicy lub paradontozy. Wkrcane w ko w odpowiednim znieczuleniu staj si nowoczesn i trwa form odbudowy protetycznej, na ktrej mona wykona bardzo estetyczne porcelanowe korony lub mosty. Wysoki odsetek udanych zabiegw, ponad 90%, powoduje coraz wiksze zainteresowanie t form rehabilitacji protetycznej (rys. 4.11) [35].

Rys. 4.11. Implant zosta chirurgicznie wprowadzony na miejsce po usunitym zbie. Nowa korona zostanie pniej osadzona na implancie [35]

46Implanty poladkw. Powikszenie poladkw jest wykonywane z wielu powodw aby uzyska proporcjonalne minie poladkowe, zwikszy ilo tkanki tuszczowej poladkw lub po prostu, aby powikszy poladki. Chirurgiczne powikszanie poladkw wykonuje si na dwa sposoby: za pomoc przeszczepu tkanki tuszczowej lub implantw. W technice przeszczepu tkanka tuszczowa uzyskana w procesie liposukcji z innej czci ciaa jest wstrzykiwana w poladki. Jeli pacjent nie ma odpowiedniej jej iloci, powikszanie poladkw mona wykona przy uyciu implantw, wykonanych z silikonu twardego lub mikszej formy silikonu w torebce. W przypadku uycia implantw ze zwartego silikonu, rezultaty s bardziej naturalne i istnieje mniejsze ryzyko wycieku. Silikon uyty w implantach poladkw jest take stosowany w implantach brody, mskich implantach piersiowych oraz implantach ydek. Implanty ze zwartego silikonu s bardziej jdrne i odporne na zuycie oraz uszkodzenia ni implanty elowe lub wypeniane sol fizjologiczn [35].

Rys. 4.12. Implanty poladkw [35]

Implanty (1) poladkw musz zosta umieszczone pomidzy powizi (3 tkanka czna pokrywajca minie) a miniem (rys. 4.12). Implanty umieszczane s do wysoko, dziki temu w rzeczywistoci nigdy si na nich nie siada. Nacicia wykonuje si w fadzie midzy poladkiem i gr uda. Blizny znikaj po roku od operacji. Mona take wykona nacicie pomidzy poladkami, jednak ryzyko infekcji jest bardzo due [35]. Implanty ydek s do twarde, ale podatne na ukadanie. W wikszoci skadaj si z silikonu. W dotyku przypominaj one dobrze rozwinite minie. Implanty maj rne rozmiary i ksztaty. Musz by dopasowywane do potrzeb danego pacjenta. Cel powikszania ydek jest w duej mierze zwizany z ksztatem implantu (rys. 4.13) [35].

Rys. 4.13. Implanty ydek [35]

47Implant pniowy to najgbiej wszczepiana proteza suchu. Nad uchem umieszczony jest mikrofon z procesorem przesyajcy przetworzone dwiki wprost do pnia mzgu. Aparat moe by ratunkiem dla ludzi z uszkodzonym nerwem suchowym (rys. 4.14) [35].

Rys. 4.14. Implant ucha [35]

Implant skadajcy si z setek fotodiod, odbierajc wiato, stymuluje kocwki nerwowe w dnie oka za pomoc prdu o niewielkim nateniu albo neuroprzekanikw (substancji chemicznych wpywajcych na prac ukadu nerwowego). Substancje te s tak wydajne, e ich zapas umieszczony w implancie mgby starczy na 50 lat (rys. 4.15) [35].

Rys. 4.15. Implant oka [35]

Sztuczne stawy tzw. endoprotezy najczciej wykonywane s ze stopw metali, gwnie tytanu, oraz tworzyw sztucznych. Endoprotezy maj przejmowa funkcje zniszczonych chorob zwyrodnieniow staww: kolanowego, biodrowego albo barkowego (rys. 4.16 i 4.17) [35].

48

Rys. 4.16. Implant stawu barkowego [35]

Rys. 4.17. Implant stawu biodrowego i kolanowego [35]

49Proteza sterowana jest myl. Aby to umoliwi, zakoczenia nerwowe z kikuta amputowanej rki przeszczepia si na klatk piersiow. Gdy pacjent myli na przykad o zamkniciu doni, na jego klatce piersiowej drga grupa mini. Sie czujnikw przekazuje te drgania do protezy (rys. 4.18) [35].

Rys. 4.18. Implant rki [35]

AbioCor to pierwsze cakowicie wszczepialne serce wykonane z tworzywa sztucznego i tytanu, przejmujce wszystkie funkcje zniszczonego organu. Bateria, ktra je zasila, take wszczepiona jest pod skr. Niewielkie urzdzenie przypinane do paska umoliwia jej adowanie (rys. 4.19) [35].

Rys. 4.19. Implant serca [35]

50

Literatura[1] Biocybernetyka i inynieria biomedyczna 2000. Red. M. Nacz. T. 4. Biomateriay, PAN. Warszawa: Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 2003. [2] Biomaterials Consensus Conference at the National Institute of Health, Clinical Applications of Biomaterials. NIH Consens Statement Online 13 Nov. 1982, 4(5):119. [3] Bdziski R.: Biomechanika inynierska. Zagadnienia wybrane. Wrocaw: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocawskiej 1997. [4] Marciniak J.: Biomateriay. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki lskiej 2002. [5] Rodriguez B., Romero A., Soto O., de Varorna O.: Biomaterials for orthopedics. Applications of Engineering Mechanics in Medicine, University of Puerto Rico 2004. [6] Kamachi Mudali U., Sridhar T. M., Raj B.: Corrosion of bio implants. Sadhana, Vol. 28, parts 3&4, June/August 2003, 601637. [7] askawiec J., Michalik R.: Zagadnienia teoretyczne i aplikacyjne w implantach. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki lskiej 2002. [8] Williams D. F. (red.): Definitions in biomaterials. Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo: Elsevier 1987, 24. [9] www.biodro.home.pl [10] Marciniak J., Paszenda Z.: Biotolerancja biomateriaw metalicznych. Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia krgosupa Systemem DERO. Red. L. F. Ciupik, D. Zarzycki. Polska Grupa DERO, Stowarzyszenie Studiw i Bada Krgosupa, 2004, 133142. [11] wieczko-urek B., Krzemiski M.: The degradation of metal implants. Advances in Materials Science, Vol. 8, 1 (15), 2008, 179183. [12] Pawlicki A.: Podstawy inynierii medycznej. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1997. [13] Walkowiak B.: Biomedyczne skutki kontaktu tkanki z implantem. Inynieria Biomateriaw, 3843, 2004, 200205. [14] Sharan D.: The problem of corrosion in orthopedic implant materials. IndiaOrth, Orthopedic Update, Vol. 9, No. 1, April 1999 [15] Grecki A., Ku W.: Polskie biomateriay wglowe w medycynie i weterynarii. Ceramics, nr 46, 1994, 921. [16] Stoch L.: Biomateriay szkliste i szkopochodne. Ceramics, nr 46, 1994, 2940. [17] Williams D.: Materials Science and Technology Medical and Dental Materials. R. W. Cahn, P. Haasen, E. J. Kramer, Vol. 14, 2006. [18] Siemiski A., Gooch K.: Biomaterial microvasculature interactions. Biomaterials, nr 21, 2000, 22332241. [19] Geringer J., Forest B., Combrade P.: Wear analysis of materials used as orthopaedic implants. Wear 261, 2006 971979 [20] Wilga M.: Biotolerancja implantw metalowych w rodowisku organizmu ludzkiego. Przyczyny infekcji po implantacji. Praca przejciowa. Politechnika Gdaska, Wydz. Mechaniczny 2008. [21] Trepanier Ch., Pelton A. R.: Biocompatibility and corrosion resistance of NiTi. Cordis NDC 2003. [22] Duisabeau L., Combrade P., Forest B.: Environmental effect on fretting of metallic materials for orthopaedic implants. Wear 256, 2004, 805816. [23] Karen Ng.: Stress corrosion cracking in biomedical (metallic) implants titanium-nickel (TiNi) alloy. Cordis NDC 2003. [24] Nikodem A.: Zjawiska na styku tkanka-implant. Wrocaw 2006. [25] Figurska M.: Produkty zuycia ciernego jako przyczyna obluzowania implantw staww biodrowych. Polska Akademia Nauk 2007. [26] Sawicki W.: Histologia. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie 1993. [27] Dobosiewicz K., Toborek J.: Kryteria oceny trwaoci sztucznego stawu biodrowego. Inynieria Materiaowa, nr 6, 1994, 154157. [28] Kusz D.: Biomechaniczne aspekty endoprotezoplastyk stawu biodrowego. Inynieria Materiaowa, nr 6, 1997, 3944.

51[29] Dobosiewicz K., Toborek J.: Zastosowanie metody bada niskocyklicznych do oceny trwaoci cementowej endoprotezoplastyki. Inynieria Materiaowa, nr 5, 1992, 134136. [30] Dobosiewicz K., Toborek J., Balin A.: Badania niskocykliczne w symulacji obcie sztucznego stawu biodrowego. Chirurgia Narzdw Ruchu. Ortopedia Polska, 1994, LIX, SUPL 4, 8893. [31] Pohler O., Straumann F.: Bulletin Official Publication of the Swiss ASIF. 1975. [32] ISO/TC 150 (1972 ISO) [33] Gierek A., Pucka G., Grochowski E., Baklarski J.: Wytwarzanie piercieni zastawek mechanicznych sztucznego serca. Inynieria Materiaowa, nr 3, 1990, 5661. [34] ISO 5831-6-1980/E/. [35] http://www.chirurgia-plastyczna.org.pl/zabiegi_modelowanie_powiekszanie.php

Rozdzia 5

PROCESY ZACHODZCE W UKADZIE IMPLANT-ORGANIZM

Aby ukaza procesy zachodzce w ukadzie implant organizm, naley zacz od ukadu immunologicznego, odpowiedzialnego za przyjcie czy te odrzucenie wszczepu. Immunologia jest nauk o odpornoci organizmu. Rozwinita na bazie mikrobiologii, koncentruje si gwnie na badaniu odpornoci na czynniki zakane, takie jak bakterie, wirusy, pasoyty i grzyby (plenie). U ssakw, w tym i u czowieka, wyksztaci si ewolucyjnie specjalny system obronny, tzw. ukad immunologiczny, ktrego podstaw stanowi wysoko wyspecjalizowane komrki. Tworz one odrbne narzdy (grasica, ledziona, wzy chonne), ale rwnie co jest bardzo istotne dla nadzoru obronnoci znajduj si we krwi i w limfie, krc stale w ustroju oraz przenikajc do tkanek. Cz z tych komrek, tzw. fagocyty (makrofagi, granulocyty) wykazuj waciwoci erne pochaniajc i niszczc drobnoustroje stanowi one pierwsz lini obrony. Obok nich znajduj si wysoko wyspecjalizowane komrki, tzw. limfocyty, ktre wykazuj specyficzne waciwoci umoliwiajce im walk z odpowiednim zarazkiem. Limfocyty dziaaj bezporednio lub po przeksztaceniu w komrki plazmatyczne za pomoc wytwarzanych przez nie czsteczek biakowych, tzw. immunoglobulin, nazywanych potocznie przeciwciaami [13]. T zdolno organizmu do wytwarzania swoistej odpowiedzi odpornociowej na drobnoustroje i rne czsteczki zwane antygenami wykorzystuje si w zapobieganiu za pomoc szczepie ochronnych powstawaniu chorb zakanych. W szczepionkach stosuje si drobnoustroje chorobotwrcze o osabionej zjadliwoci lub ich nietoksyczne produkty, ktre nie wywouj choroby, ale prowadz do powstania odpornoci na ni. Ukad immunologiczny reaguje dwoma odpowiedziami na drobnoustroje. Odpowied humoralna polega na produkcji przeciwcia krcych w pynach ustrojowych. Odpowied ta jest typowa dla zakae bakteryjnych i realizuj j gwnie limfocyty B i ich komrki pochodne. Odpowied komrkowa polega na niszczeniu obcych antygenowo komrek (zakaonych wirusami, komrek nowotworowych, przeszczepw, grzybw) przez limfocyty Tc. Reakcja typu komrkowego zachodzi rwnie w przypadku uczulenia na pewne substancje (detergenty, niektre metale), ktre dziaajc na powierzchni skry, zmieniaj struktur jej biaek tak, i nabieraj one obcych wasnoci antygenowych; zjawisko to nosi nazw nadwraliwoci kontaktowej [13]. Obecnie uwaa si, e ukad immunologiczny obok klasycznej obronnej funkcji wykonuje, podobnie jak ukad nerwowy i neurohormonalny, genetycznie zaprogramowan czynno regulacji przez kontrolowanie reakcji odpowiedzialnych za utrzymanie jednorodnoci rodowiska wewntrznego ustroju.

53Wprowadzajc implant do organizmu ludzkiego, naley pamita, e jest to ciao obce i naley liczy si z rnego rodzaju reakcjami organizmu. wiadomo zagroe pyncych z wprowadzenia obcego materiau do organizmu przyczynia si do opracowania zbioru przepisw prawnych, zawartych z normie ISO 10993 [4], regulujcych sposb postpowania z nowymi materiaami i wykonanymi z nich implantami w celu dopuszczenia ich do zastosowa medycznych. Niestety, nawet bezwzgldne przestrzeganie zalece zawartych w ww. normie nie zabezpiecza biorcy implantu przed komplikacjami [5]. Przyczyn tej sytuacji jest bardzo dua rnorodno zachodzcych reakcji pomidzy implantem a tkank, ktra ma z nim kontakt. Biomateria metaliczny w wyniku kontaktu z tkankami i pynami ustrojowymi pokrywa si pasywn warstw, na ktrej odkadaj si biaka macierzy pozakomrkowej. Skad i ilo biaek macierzy pozakomrkowej odoonej na powierzchni materiau s efektem reaktywnoci biologicznej biomateriau, a szczeglnie waciwoci powierzchni. Biaka wpywaj na procesy adhezji komrek i bakterii, aktywno biologiczn oraz aktywacj reakcji zapalnych [6, 7]. Pierwszym zjawiskiem wystpujcym po wprowadzeniu biomateriau do rodowiska biologicznego jest wytworzenie biofilmu na jego powierzchni (rys. 5.1 i 5.2) [6]. Biofilm jest form agregacji bakterii, grzybw i innych mikroskopijnych organizmw w postaci cienkich osadw tworzcych si na rnych powierzchniach, majcych kontakt np. z pynami ustrojowymi. Za powstanie biofilmu odpowiada midzy innymi naturalna flora bakteryjna pacjenta. Aby zapobiec wystpowaniu tego typu zjawisk, naley mie wiadomo, co wpywa na tego typu reakcje, a mog to by mikroskopijnych rozmiarw pozostaoci narzdzi chirurgicznych, powstajce w wyniku mechanicznego oddziaywania narzdzia z tkank i z implantem [5]. Bardzo wane jest to, by powierzchnia materiau bya idealnie gadka, zmniejsza to bowiem ryzyko wystpienia reakcji alergicznych i zapalnych [8].

Rys.5.1. Stadia rozwoju biofilmu [9]

54Podczas tworzenia biofilmw mona wyrni nastpujce etapy [9]: 1. Faza odwracalnej adhezji; swobodnie pywajce bakterie osiadaj na podou i przyczepiaj si do niego, tworzc skupiska. 2. W fazie poredniej dominuje rozwj lepkiej struktury pozakomrkowej (macierzy), ktrej gwnym skadnikiem s polisacharydy ciany komrkowej (tzw. EPS extracellular polymer substances), zawierajce mannoz i reszty glikozydowe. Zmiany otoczenia powoduj silne zwizanie si bakterii z powierzchni. 3. Podczas fazy dojrzewania struktury biofilmu nastpuje dalszy przyrost substancji pozakomrkowej, a do cakowitego otoczenia przez ni powstaych kolonii. Na tym etapie w skad biofilmu wchodz, oprcz mikroorganizmw, martwe komrki, substancje organiczne, wytrcone mineray itp. Do takich struktur przyczaj si kolejne gatunki bakterii. 4. Powstae gradienty chemiczne umoliwiaj wspistnienie bakterii rnych gatunkw i znajdujcych si w rozmaitych stanach metabolicznych. Bakterie przekazuj sobie sygnay stymulujce je do rozmnaania si i tworzenia kolonii. 5. Niektre komrki opuszczaj biofilm, by tworzy nowe skupiska.

Rys. 5.2. Topografia ekosystemu na powierzchni biomateriau [6]

A co si dzieje w momencie kontaktu implantu metalicznego pokrytego warstw biofilmu z tkank kostn? Reakcja nie jest trudna do przewidzenia, niestety w wielu przypadkach jest ona niekorzystna. Obecno biofilmu moe doprowadzi do zaniku otaczajcej tkanki kostnej i w rezultacie zaburzy proces osteointegracji. Biofilm spenia nastpujce funkcje: umoliwia mikroorganizmom wytwarzanie cisych powiza metabolicznych; umoliwia rozwj bakterii beztlenowych w warunkach natlenionych; utrudnia usuwanie produktw przemiany materii mikroorganizmw do fazy wodnej; chroni drobnoustroje przed dziaaniem biocydw (zwizkw o charakterze antybiotykw). Praktycznie nie ma powierzchni, ktra nie moe zosta skolonizowana przez ywe mikroorganizmy. Obecno biofilmu jest wyjtkowo korzystna dla rozwoju mikroorganizmw. Dziki niemu mog one atwo adaptowa si do rnych ekstremalnych warunkw

55rodowiskowych. Jego obecno zmienia warunki panujce na granicy faz metal-elektrolit, powodujc zmian szybkoci procesw korozyjnych [8, 10]. Reakcje organizmu na wprowadzony biomateria mog by dwie: korzystna i niekorzystna. W przypadku korzystnej, organizm w peni akceptuje ciao obce, jakim jest implant, i wchania go. Sytuacja w przypadku reakcji niekorzystnej jest o wiele bardziej skomplikowana. Przede wszystkim naley dokadnie zna rdo zagroenia. Degradacja biomateriaw metalicznych zaley od [8, 11]: skadu chemicznego i fazowego metalicznego tworzywa; rodzaju obcienia; cech geometrycznych implantu i techniki operacyjnej. Na powierzchni biomateriau umieszczonego w ciele ludzkim tworzy si warstwa pasywna biofilm, czsto na skutek pozostawionych mikroskopijnych czci narzdzi chirurgicznych. Wytworzona warstwa pasywna nie powinna ulec zniszczeniu. Gdy dojdzie do takiej sytuacji tkanka bdzie miaa bezporedni kontakt z powierzchni materiau. Wwczas z biomateriau s uwalniane skadniki stopw do otaczajcego go rodowiska tkankowego. Zjawisko to prowadzi do zmian korozyjnych na powierzchni implantu (rys. 5.3), nasilajcych reakcj zapaln w organizmie. Przenikanie dodatkw stopowych do rodowiska powoduje obumieranie tkanki, z ktr styka si biomateria. W konsekwencji prowadzi to do choroby tkanek, zwanej metaloz [8, 12, 13].

Rys. 5.3. Zmiany korozyjne na powierzchni materiau [14]

Metaloza moe przebiega na kilka sposobw. Wyrnia si metaloz: cich, ostr oraz dyskretn. Kada z nich przebiega w inny sposb. W przypadku gdy po implantacji dochodzi do inicjacji korozji, mwi mona o metalozie cichej, jej przebieg nie doprowadza do obumarcia komrek. Metaloza ostra, jak sama nazwa wskazuje, przebiega gwatownie, nastpuje szybka inicjacja korozji i dochodzi do znacznych zmian tkankowych. Zmiany korozyjne wystpujce na tworzywie metalicznym nasilaj reakcj zapaln, w efekcie czego dochodzi do mierci czci tkanek oraz do przebudowy tkanek stykajcych si z biomateriaem [5]. W wyniku tego rodzaju przebiegu konieczne s badania histopatologiczne obumarych tkanek. Metaloza dyskretna ujawnia si dopiero po usuniciu implantu. Pierwiastki, ktre przenikny z biomateriau do tkanek, atakuj je z opnieniem. Przebieg nie

56jest tak gwatowny, jak w przypadku metalozy ostrej. Wystpienie tego rodzaju choroby wymaga usunicia szkodliwego implantu [5, 8, 13]. Organizm ludzki jest skarbnic pierwiastkw, jednak nie wszystkie s dla niego dobre. Niedobr bd te nadmiar niektrych z nich moe by grony. Dobierajc materia na implant, naley uwzgldni, jak poszczeglne dodatki stopowe wpywaj na nasz organizm. Do najwaniejszych pierwiastkw wystpujcych w materiaach przeznaczonych do implantacji zalicza si: elazo, nikiel, chrom, molibden, kobalt, glin, tytan oraz wanad [12, 15, 16]. elazo katalizuje reakcje prowadzce do tworzenia si wolnych rodnikw, co moe wywoywa takie choroby, jak: miadyca naczy, marsko wtroby, nowotwory oraz uszkodzenie DNA i RNA. Nikiel jest pierwiastkiem, ktry wywouje stan zapalny tkanki okoowszczepowej. Jest kancerogenny oraz czsto wykazuje odczyn zapalny, zwaszcza w organizmie kobiety. Chrom jest toksyczny, szczeglnie w postaci jonw Cr6+, Cr3+. Uszkadza komrki tkanek okoowszczepowych oraz wywouje zaburzenia strukturalne biaek, prowadzc do procesw mutagennych. Niedobr molibdenu le wpywa na koci i zby, jednak jego nadmiar wywouje nadaktywno oksydazy ksantynowej oraz zwiksza ilo metabolitw w kwasie moczowym. Glin w nadmiarze przyczynia si do bli mini, zmikcza koci na zamanie, uszkadza komrki nerwowe. Pojawienie si glinu w naczyniach krwiononych powoduje ich stwardnienie i usztywnienie. Tytan moe wywoywa alergie oraz reakcje okoowszczepow w midzywarstwie implant-ko, co moe decydowa o destabilizacji endoprotez po duszym okresie ich uytkowania. Wanad jest pierwiastkiem cytotoksycznym, wywoujcym zaburzenia neurogenne [8, 12, 13, 15, 16]. Reakcja zapalna w organizmie nie zawsze zachodzi z powodu bakterii. Czst przyczyn stanu zapalnego jest odrywanie si czstek materiau z powierzchni implantu w wyniku tarcia. Sytuacja ta wystpuje w przypadku endoprotez stawowych. Czstki powstae wskutek zuycia materiau gromadz si w strefie kontaktu implant-tkanka. S przyczyn uwalniania mediatorw reakcji zapalnej, aktywujcych osteoklasty do niszczenia tkanki kostnej. W efekcie powstaj zmiany patologiczne w chrzstce i koci [6]. Kontakt implantu metalicznego z tkank kostn niesie za sob wiele zagroe dla organizmu ludzkiego. Obecno biomateriau w organizmie zawsze powoduje, w mniejszym lub wikszym stopniu, powstanie strefy zapalnej. Uszkodzenie tkanek mikkich i koci, towarzyszce zabiegowi wszczepienia implantu, nasila reakcje zapaln nawet bez udziau czynnikw infekcyjnych. Szybkie wyganicie procesu zapalnego wiadczy o dobrej integracji materiau z tkankami [6].

5.1. Biologiczna ocena biozgodnociPodstawow waciwoci materiau, decydujc o jego przydatnoci do zastosowa biomedycznych, jest biotolerancja [17, 18]: O materiale, e jest biozgodny mwi si wtedy, gdy wszczepiony do organizmu wywouje prawidow reakcj, speniajc jednoczenie specyficzne wymagania gospodarza. Zgodnie ze standardami ISO, eby oceni biozgodno materiau, naley wykona szereg testw. Waniejsze z nich zostay przedstawione w tabl. 5.1.

57Tablica 5.1Biologiczna ocena biozgodnoci zgodnie z norm ISO [6]1 2 3 4 5 6 7 8 9 Test genotoksycznoci, karcenogennoci Toksyczno zwizana z rozrodczoci Reakcja krwi Cytotoksyczno in vitro Lokalny efekt po wszczepieniu materiau Toksyczno oglnoustrojowa Wpyw sterylizacji Testy oceniajce wraliwo i reakcje alergiczne na obecno materiau Identyfikacja i ocena jakociowa produktw degradacji

Ocena biozgodnoci, zgodnie z midzynarodow norm, wymaga przeprowadzenia zarwno bada in vitro na izolowanych komrkach lub tkankach, jak te bada in vivo na zwierztach i prb przedkliniczych [6]. Badanie in vitro polega na przeprowadzeniu bada biozgodnoci na izolowanych, cile okrelonych komrkach lub tkankach w warunkach laboratoryjnych. Badania te nie pozwalaj na dokadne odtworzenie wszystkich czynnikw panujcych w ywym organizmie, niemniej s doskonaym sposobem na wstpne okrelenie zachowania si ywych komrek w obecnoci badanego materiau. Do podstawowych bada in vitro nale badania pozwalajce na okrelenie cytotoksycznoci biologicznej materiaw. Substancje toksyczne wydzielane przez materia w kontakcie z tkankami lub pynami ustrojowymi mog us