Univerzitet u BeograduMašinski fakultet

SEMINARSKI RAD

KOMPOZITNI IMPLANTI

Predmet: Biomaterijali u stomatologiji i medicini

Student: Ana Nedeljković 1207/12

Beograd, 2014.

2

Sadržaj

1.Uvod………….............................................................................................................3

2. Glavni predstavnici kompozitnih biomaterijala ......................................4

3. Mehanička svojstva i poroznost.....................................................................6

4. lnjektabilni nano-kompozitni biomaterijali..............................................9

5. Modaliteti povećanja efikasnosti kompozitnih implanata………….12

6. Prilog………………………………………………………………………………………15

7. Zaključak............................................................................................................16

3

1.Uvod

Kompozitni implatni izradjuju se od kompozitnih biomaterijala i imaju veliku primenu u ortopediji i restaurativnoj stomatologiji. To je grana stomatologije koja se bavi složenim intervencijama na oboljeloj ili traumatski oštecenoj pulpi zuba (najcešce je reč o karijesu) radi obnavljanja funkcije žvakanja ili u estetske svrhe. Kompoziti se dobijaju kombinovanjem dva materijala, tako da se ostvare osobine koje nema nijedan od dva materijala pojedlnačno. Kompoziti mogu imati neobičnu kombinaciju krutosti, čvrstoće, male gustine, visoke radne temperature, otpornosti na koroziju, tvrdoće, ili provodnosti.Kompoziti mogu biti metal/metal, metal/keramika, metal/polimer, keramika/polimen, keramika/keramika ili polimer/polimer. Po konstrukcijl, kompoziti mogu biti čestični, vlaknasti ili slojeviti. Čestični kompoziti se najčešće koriste za izradu brzoreznih alata, dok se vlaknasti pretežno koriste kao izuzetni konstrukcioni materijali. Kompoziti se izraduju specijalnim tehnikama, zavisno od vrste. Prvo se izrađuju čestice i vlakna, a posle se ugrađju u matricu, dok se kod slojevitlh spajaju slojevi dve vrste materijala (Slika 1). Matrica u kompozitu ima veću plastičnost i žilavost, dok su čestice, vlakna ili pojedini slojevi povećane čvrstoće i krtosti. Na taj način, dobija se materijal izuzetne kombinacije čvrstoće, tvrdoće, plastičnosti i žilavosti. Matrica sprečava kretanje dislokacija, lanaca ili pukotina iz tvrdog materijala kroz žilaviiu matricu (zavisno od strukture kompozita).

Slika 1. Šematski prikaz: (a) strukzunc écsdénog kompozita kermta, dobijenog presovanjem čestica WC i praha Co iznad temperature topljenja kobalta, koji posle očvršćavanja čini kobaltnu matricu u kermetu; (b} livenje pod pritiskcm vlaknastog kompozita u polimerskoj matrici; (c)vakumske infiltracije rastopljenog metala u vlaknastom kompozitu sa metalnom matricom; (d) spajanja valjanjem, na toplo ili hladno, dva sloja metalau slojevitom kompozitu.

Postoji veliki broj vrsta i grupa kompozitnih biomaterijala sa različitim namenama. Do sada je ostvarena sinteza kompozitnih blomaterijala tipa metal/metal, metal/polimer, metal/keramika, keramika/keramika, keramika/polimen keramika/prirodni, polimer/polimer kao i sve variiante niihovih kombinaciia. Kompozitni biomatcrijali

4

trenutno predstavljaju najinteresantnije biomaterijale sa kojima bi se mogla izvršiti reparacija koštanog tkiva. Posebno intersantnu vrstu predstavljaju kompozitni biomateriiali na bazi hidroksiapatita (HAp), jer on predstavlja glavni sastojak prirodnog koštanog tkiva.

2. Glavni predstavnici kompozitnih biomaterijala

2.1Keramika/prirodni kompoziti

Keramika/prirodni kompoziti označeni kao bioaktivni kompoziti u najvećoj meri se odnose na kalcijum fosfat (CP) / koIagen kompozit . U poredenju sa čistim HAp, HAp/kolagen kompoziti izazivaju minimalnu inflamatornu reakciju, koja nakon 16 nedelja in vivo ispitivanja potpuno nestale. Cestice HAp i trikalcijum fosfata (TCP) koje se nalaze u trodimenzionalnoj matrici od kolagcena formiraju trokomponentan kompozit HAp/TCP/kolagen koji može poslužiti za reparaciju različitih koštanih defekata. Tokom in vivo ispitivanja ovog kompozita utvrđeno je da tkivo prvo dolazi u dodir sa kolagenom ispod koga se nalaze čestice HAp i TCP. Kolagen omogućava dobru adherenciju i integracijukompozita sa okolnim tkivom. Nakon 6 nedelja ispitivanja uočava se stvaranje novog tkiva i kompletna integracija implantata. Supstituciia koštanog tkiva obavljena je i sa HAp/elastin kompozitom, kod koga su čestice HAp fino dispergovane u osnovi od elastina. Tokom ispitivanja in vivo utvrđena je dobra adhercncija osteoblasta na kompozitu, kao i njihova proliferacija.

2.2 Keramika/keramika kompoziti

Keramika/keramika kompozitni biomateriiali najvećim delom odnose se na TCP/HAp, HAp/Al 2 O3, HAp/SiO2, i slične kompozite. Povećanje mehaničkih karakteristika HAp ostvareno je sintezom HAp/keramika kompozita sa Al 2 O3 keramikom kao ojačavajućom komponentom. Zbog sličnog hemijskog sastava Hap-u je dodata komponenta TCP i dobijen je HAp/T CP kompozit. U međufaznoj površini ovog kompozita ostvaruje se relativno bllzak kontakt komponenti, bez pojava pukotina. Medutim postoje različita mišljenja o osteoinduktivnom potencijalu i biokompatibilnim osobinama ovog kompozita. Grupa istraiživača je ispitala mogućnost adhezije, proliferacije i diferencijacije različitih fakta odgovomih za proccs inflamacije kod kompozita HAp/TCP. Razmatrani faktori su interleukin 1β (IL-1β) i tumorni nekrotiéni faktor α(TNF-α). Na osnovu dobijenih rezultata uočeno je da se stvaranje TNF-α kod HAp/TCP komozita odvija na isti način kao i kod čistog Hap dobijenog sinterovanjem na 900°c i 1200°c. Iste zavisnosti su uočene i kod stvaranja IL-1β. Keramičku komponentu u HAp/keramika kompozitima može da predstavlja i Zr02, Si02, CaSO4, ili vlakna HAp. Dodatkom različitih vrsta keramike u HAp povećavaju se njegove mehaničke karakteristike ali ujedno se smanjuju biokompatibinost kompozita i povećavaju teškoće procesiranja zbog čega ova vrsta kompozita nije našIa širu kliničku upotrebu.

5

2.3 Keramika/bioaktivno staklo kompoziti.

Keramika/bioaktivno staklo kompoziti zauzimaiu visoko mesto kao biomaterijali koji se trenutno najviše koriste za zamenu malih kostiju srednjeg uva. Keramička komponenta je najvećim deIom kod ove vrste kompozita CR BCP ili HAp. Ova vrsta kompozita pokazuje visoku biokompatibilncst i bioaktivnost, što rezultira čvrstom vezom implant-tkivo. Nakon četiri nedelje in vitro ispitivanja uočava se indukcija i rast kristala HAp na površini HAp/bioaktivno staklo kompozita, koja je potvrđena rendgenskom analizom. Anallzirano bioaktivno staklo sadrži 45,5 moI% P2O5 i 54,5 mol% CaO. Bioaktivnu staklenu komponentu u kompozitu mogu da predstavljaju različite vrste bioaktivnih stakala. U zavisnosti od udela i vrste bioaktivnog stakla dobijene su različite vrste kompozita HAp/bioaktivno staklo.

2.4 Keramika/polimer kompoziti

Keramika/polimer kompoziti su po mehaničkim osobinama najpribližniji osobinama prirodnog koštanog tkiva. Najveći problem kod ove vrste kompozita predstavlja toksičnost polimera i njegova nepostojanost tokom starenja. Najveći broj polimera koji se koristio za sintezu keramika/polimer kompozita, tokom aplikacije u živom organizmu oslobađao je produkte koji su negativno uticali na metabolizam okolnog tkiva, ili je tokom perioda aplikacije umnogome menjao strukturu, a time i osobine.

2.5 Hap/bioresorbilni polimer kompozit

HAp/polietilen (HAp/PE) upotrebljavaju se za zamenu koštanog tkiva. Poznatiji je pod nazivom Hapeks . Granule, ili prah mešaju se sa polietilenom visoke gustine. Odnos udela polimera i Hap ima visoku ulogu u formiranju mehaničkih karakteristika kompozitnih implanata.

2.6 Hap/bioresorbilni polimer kompoziti „živi biokompoziti“

Biomaterijali ovog tipa postaju „živi“ , vremenski se razvijaju i menjaju, a nakon završenog procesa reparacije nestaju i „umiru“. Osnovna ideja je da nakon implantacije u koštani defekt polimerna komponenta sa kojom je ojačan Hap, bioresorbuje ustupajući na taj način mesto novoformiranom tkivu. Keramička komponenta može biti bioresorbilna ili nebioresorbilna, pa samim tim, ona može, a i ne mora ostati u tkivu.

2.7 HAp/PLLA blokompoziti. Sinteza, struktura i svojstva

Bioresorbilni sintetski polimeri na bazi polillaktida (PLLA) imali su do sada široku primenu u medicini zato što su krajnji produkti njihove razgradnje netoksični i pri tome ne remete metabolizam okolnog tkiva. Biodegradabilni polimeri na bazi PLLA na svojoj površini omogućavaju dobru adheziju osteoblasta kao i adhezliu proteina i faktora rastaodgovonih za reparaciju koštanog tkiva. Za dobijanie ove vrste kompozita mogu se

6

upotrebiti i drugi bioresorbabilni polimeri kao što su poliglikol (PGA), poli(dl-llaktid)(DLPLA), poliakil (ε·kapralakron) (PCL), poli(dl·laktid·co·glikoIid) (DLPLG), polialkiI2·cianoakrilar, poligllkol (trimetilenkarbonat), poli-l-laktid(dl-laktid), polilaktid(δ-valerolakton), poIi-β-hidroksibutarat, poli-β-maIeinska kiselina, poli·p-dioksanon, poIi(amino kiseline), polivinilalkohol itd... Tako da se PLLA može zameniti u sintezi kompozita sa bilo kojim drugim bioresorbilnim polimerom.

Sintetski HAp, vrlo sličan prirodnom koštanom HAp, takođe je pokazao izuzetna osteokonduktivna svojstva tokom predkliničkih i kliničkih ispitivanja. U međufaznoj površini izmedu tkiva i površine HAp dolazi do direktne konekcije i adhezije, pa se iz tih razloga i kaže da je Hap osteokonduktivan i bioaktivan.

3. Mehanička svojstva i poroznost

Osnovna teškoća u istraživanjima razvoja biomaterijala kao zamene tvrdog koštanog tkiva je kako dobiti kompozitni biomaterijal keramika/bioresorbilni polimer, koji bi po svojim mehaničkim karakteristikama bio blizak mehaničkim osobinama prirodnog koštanog tkiva. Pored navedenog zahteva neophodno je omogućiti takvu vrstu dizajniranja koja omogućava projektovanje što više osobina kompozita bitnih za njegovu aplikaciju. Mehaniča čvrstoća, modul elastičnosti kao i udeo i raspodela poroznosti imaju značajnu ulogu u periodu implantacije i eksploatacije biomaterijala. U cilju optimalne raspodele napona koji se javljaju tokom naprezanja i opterećenja implantata, neophodno je da kompozitni biomaterijal keramika/bioresorbilni polimer ima mehaničke osobine bliske koštanom tkivu koje zamenjuje.

3.1 Injektabilni kompozitni implanti za rekonstrukciju koštanog tkiva

Kompozitni biomaterijali u zavisnosti od željene funkcionalnosti i svrhe upotrebljavaju se i u obliku injektabilnih punilaca, gelova, pasta, ili cementa. Sa puniocima se rekonstruišu različiti koštani defekti u ortopediji i maksilofacijalnoj hirurgiji. U smeši sa fiziološkim rastvorom, punioc koji je u prahu poprima konzistenciju paste, ili injektibilnog punioca, tako da se može injektabilno aplikovati, što ima praktičan značaj. U zavisnosti od sadržaja tečne faze, kompozit može biti i u formi gita (mali sadržaj tečnosti). Injektabilni kompozit može imati različitu svrhu tokom i nakon aplikacije. On se upotrebaljava za fiksaciju različitih vrsta proteza u ortopedskoj hirurgiji, ali i za ispunu šupljina u tvrdom i mekom tkivu. Postoji širok spektar različitih podela i vrsta. Prema resorpciji postoje biodegradabilni i binedegradabilni injektabilni kompozitni biomaterijali. Takođe , oni mogu biti bioaktivni, ili bionertni od zavisnosti od zavisnosti odgovora organizma na njih.

Injektabilni biodegradibilni kompoziti primenjuju se i u inženjerstvu tkiva. U rekonstrukcijama kostiju i hrskavice kompoziti na bazi bioaktivnog stakla i poli(ε-kapralakton-ko-dl-laktida) pokazali su dobru osteokonduktivnost. Dobijanje bioaktivnih injektabilnih kompozita ostvareno je sintezom CaO-Si02-P205, koji pored svoje biokompatibilnosti indukuje stvaranje kalcijum-hidroksiapatita, neorganske komponente kostiju.

Posebnu grupu injektabilnih kompozitnih biomaterijala predstavljaju oni koji su jednim delom sačinjeni od kalcijumodgovor organizma prilikomizvršena je sa injektabilnim kompozitom od HAp, koji je pokazao izuzetna osteoinduktivna svojstva. Do sada najtipičniji kalcijum fosfatni cementi sačinjeni su od više komponenti koje omogućavaju dobra biokompatibilna, bioaktivna, osteoiduktivna kao i mehanička svojstva. To su smeše sačinjene od CaHP0Ca(H2PO4)2xH20 i TCP. Tokom aplikacije apatitnih injektabilnih kompozita može doći do različitih vrsta infekcija, koje mogu da se negativno odraze na odgovor organizma i tako daju pogrešnu sliku o kvalitetu upotrebljenog cementa. lz ovih razloga upotrebljavaju se smeše antibiotika sa cementima. Tako se npr. upotrebljava TTCPkoji u sebi sadrži vankomicin, a koristi se u ortopedskoj hirurgiji.

Prilikom sinteze injektabilnin Kompozita kao matriks mogu se upotrebiti različiti polimeri. Tako je ostvareno dobijanje polimer/keramika injektibilnih kompozita. Dobijen je kompozitni cement od PMMA sa različitim udelima HAp. Na ovakav način dobijen je širok spektar raziličitih osobina jedne iste vrste kompozitnog cementa. Sa HAp i polietilenom (HDPE) dobijeni bioinertni, a sa pohiaktidima (PLA) bioaktivni injektabilni kompoziti.

Slika2. Rekonstrukcija infrakoštanog defekta sa BCP/DLPLG : a) infrakoštani defekt, b) aplikacija BCP/DLPLG, završena rekostrukcija, d) radiološki snimak nakon 12 meseci

Posebnu grupu injektabilnih kompozitnih biomaterijala predstavljaju oni koji su jednim delom sačinjeni od kalcijum-fosfata (CP). Ova vista ispoljava minimalni inflamatorni

upotrebe u mekim tkivima. Reparacija facijalnih defekata izvršena je sa injektabilnim kompozitom od HAp, koji je pokazao izuzetna osteoinduktivna

najtipičniji kalcijum fosfatni cementi sačinjeni su od više komponenti koje ra biokompatibilna, bioaktivna, osteoiduktivna kao i mehanička svojstva.

To su smeše sačinjene od CaHP04x2H20, Ca4(PO4)20, CaHPO4, Ca8

Ca(H2PO4)2xH20 i TCP. Tokom aplikacije apatitnih injektabilnih kompozita može doći do infekcija, koje mogu da se negativno odraze na odgovor organizma i tako

daju pogrešnu sliku o kvalitetu upotrebljenog cementa. lz ovih razloga upotrebljavaju se smeše antibiotika sa cementima. Tako se npr. upotrebljava TTCP-DCPP apatitni kompozit

bi sadrži vankomicin, a koristi se u ortopedskoj hirurgiji.Prilikom sinteze injektabilnin Kompozita kao matriks mogu se upotrebiti različiti

polimeri. Tako je ostvareno dobijanje polimer/keramika injektibilnih kompozita. Dobijen je PMMA sa različitim udelima HAp. Na ovakav način dobijen je širok

spektar raziličitih osobina jedne iste vrste kompozitnog cementa. Sa HAp i polietilenom (HDPE) dobijeni bioinertni, a sa pohiaktidima (PLA) bioaktivni injektabilni kompoziti.

Rekonstrukcija infrakoštanog defekta sa BCP/DLPLG : a) infrakoštani defekt, b) aplikacija BCP/DLPLG, završena rekostrukcija, d) radiološki snimak nakon 12 meseci

7

Posebnu grupu injektabilnih kompozitnih biomaterijala predstavljaju oni koji su fosfata (CP). Ova vista ispoljava minimalni inflamatorni

upotrebe u mekim tkivima. Reparacija facijalnih defekata izvršena je sa injektabilnim kompozitom od HAp, koji je pokazao izuzetna osteoinduktivna

najtipičniji kalcijum fosfatni cementi sačinjeni su od više komponenti koje ra biokompatibilna, bioaktivna, osteoiduktivna kao i mehanička svojstva.

H2(PO4)6x5H20, Ca(H2PO4)2xH20 i TCP. Tokom aplikacije apatitnih injektabilnih kompozita može doći do

infekcija, koje mogu da se negativno odraze na odgovor organizma i tako daju pogrešnu sliku o kvalitetu upotrebljenog cementa. lz ovih razloga upotrebljavaju se

DCPP apatitni kompozit

Prilikom sinteze injektabilnin Kompozita kao matriks mogu se upotrebiti različiti polimeri. Tako je ostvareno dobijanje polimer/keramika injektibilnih kompozita. Dobijen je

PMMA sa različitim udelima HAp. Na ovakav način dobijen je širok spektar raziličitih osobina jedne iste vrste kompozitnog cementa. Sa HAp i polietilenom (HDPE) dobijeni bioinertni, a sa pohiaktidima (PLA) bioaktivni injektabilni kompoziti.

Rekonstrukcija infrakoštanog defekta sa BCP/DLPLG : a) infrakoštani defekt, b) aplikacija

8

Razvojem medicine i hirurgije proširili su se zahtevi za kvalitetom i načinom aplikacije injekatabilnih kompozita. Posebno pri upotrebi za ispunu šupljina i reparaciju mekih i tvrdih tkiva gde se prilikom reparacije teže izbegavaju hirurške intervencije. Želja je da se u šupljinu, ili defekt injektira rastvor koji zatim kontroslisano očvrsne i ostvari potrebne fukncionalne, bioaktivne postavljene zahteve Slika3. Iz ovih razloga razvijaju se injektabilni kalcijum fosfatni cementi za upotrebu u ortopedskoj hirurgiji. Dobar primer za ovu vrstu cementa su injektabilni cementi methylhydroxypropylcelullose sa Hap I trikalcijum fosfatom. Cement je razvijen kao polimer/keramika system koji očvšćava nakon injektiranja in vivo. Poslednjih godina polisiloksanski polimeri zbog svojih dobrih biokomatibilnih svojstava imaju široku primenu u medicini. Neobična kombinacija neorganskog osnovnog lanca i organskih supstituenata kod polisiloksana rezultira u veliku elastičnost, dimenzionu stabilnost, hidrofobnost, otpornost na agresivne hemikalije, biokompatibilnost, propustljivost na gasove, što je posebno značajno za propustljivost kiseonika. Kompozit se može injektirati u živi organizam nakon čega slede reakcije umrežavanja na temperaturi organizma (37°C) koje za krajnji cilj imaju očvršćavanje kompozita uz prethodno željeno trodimenzionalno oblikovanje. Projektovanje biokompatibilnosti ostvareno je sa menjanjem sadržaja HAp u biokompozitu.

Slika3. Aplikacja injektabilnog kompozitnog implanta

Danas su u stomatologiji veoma popularni kompozitni ispuni, odnosno plombe koje imitiraju boju zuba. Neprestani rad na usavršavanju i razvoju novih estetskih (belih) plombi je gotovo u potpunosti potisnuo iz upotrebe takozvane crne odnosno amalgamske plombe. Preparacija kaviteta i postavljanje ispuna predstavlja jednu od najčešćih medicinskih intervencija, a razlog je velika rasprostranjenost karijesa. Proces se sastoji od uklanjanja karioznog zubnog tkiva mašinskim zubnim instrumentima, nakon toga

9

postavljanjanja u kavitet adekvatnog ispuna. U Dental Plazi najčešće koristimo kompozitni ispun i glas jonomer cement

.Slika4. Izgled kompozitnih ispuna

3.2 Svojstva dentalnih kompozitnih implanata

Zbog promjenjivih uslova u usnoj šupljini kompoziti moraju imati odgovarajuća svojstva. Bitna svojstva pri odabiru kompozitnog materijala koja određuju njegovu vrednost, odnosno trajnost su: tvrdoca, savojna, zatezna i torziona čvrstoca, elastičnost, habanje, toplozna i električna provodnost, polimerizacijsko stezanje, hidropsko (delovanjem vode) i toplotno širenje. Mehanicka svojstva poput tvrdoće, čvrstoće ielastičnosti moraju zadovoljavati iste norme kao i dentalni amalgami te je poželjno da budu što viša. Poželjne su što manje vriednosti habanja, i elektricne provodnosti, polimerizacijskog stezanja te toplotnog širenja. Stezanje tijekom polimerizacije može se izbeći dodavanjem ekspandirajućih monomera, odnosno višefunkcijskih ciklickih oligomera kao što su spiroortoesteri i ciklicki akrilati. Toplotno širenje kompozitnih smola zbog stalnih temperaturnih promena u usnoj šupljini cvrsto je povezano i s polimerizacijskim stezanjem, a zavisi od koeficijenta toplotnog širenjamaterijala. Hidropsko širenje javlja se kada materijal apsorbuje vodu iz usne šupljine, što uz širenje materijala dovodi do pojave rubnog obojenja i pukotina koje omogućavaju propuštanje mikroorganizamaprema zubnoj pulpi.

10

4. lnjektabilni nano-kompozitni biomaterijali

Nano čestice (NPs) CP ili kompoziti na bazi CP u smeši sa tečnom fazom kao što je fiziološki rastvor, krvna plazma, faktor rasta itd. mogu predstavljati idealnu formuinjektabilnih nano-biomaterijala sa projektovanim hidro-dinamičkim svojstvima.Injektiranjem ove vrste biomaterijala mogao bi se unaprediti proces rekonstrukcija određenih koštanih defekata. Dodavanjem faktora rasta kao nove komponentekompozitnog biomaterijala omogućilo bi se usmeravanje dobrih osteokonduktivnih svojstava CP. Način odgovora organizma zavisi od interakcije biomaterijala sa okolnim tkivom i načinom uspostavljanja adhezije ćelija organizma sa biomaterijaloni. Pored sastava i morfologije, veličina čestica kompozita ima ključnu ulogu u ovim fenomenima. Nano čestice imaju niz prednosti u odnosu na mikročestice u interakcijama biomaterijala sa organizmom. Novi putevi hemoterapiji i lečenju kancera zasnivaju se na upotrebi sfernih nano-čestica DLPLG i aktivne lekovite supstance. Čestice kompozita manje od 100 nm minimalno utiču na iritaciju imunog sistema, što predstavlja prednost u smanjenom ili nepostojećem odgovoru organizma.

lnjektabilni nano-kompozitni biomaterijali na bazi CP i bloresorbilnog/bIoneresorbilnog polimera do sada su bill predmet određenog polja istraživanja u cilju dobijanja injektabilnog biomaterijala sa zadovoljavajućim mehanićkim all i biolloškim svojstvima. Poseban interes ove vrste kompozita je njegova primena u supstitucIjama koštanog tkiva podjednako u stomatologiji i medicini zbog lakoće i brzine formiranja novog koštanog tkiva. lnjektabilni nano-kompoziti na bazi CP i bioresorbilnog polimera od naročitog su interesa u inženjerstvu koštanog tkiva. Svoja napredna svojstva ostvaruju u dobrim mehanitkim osobinama, biokompatibilnosti i lakoći regeneracije defekta. Kao primarna strategija u cilju poboljšanja svojstava injektibilnih kompozita na bazi CP, neki istraživači ukazuju na važnost veličina čestica na svojstva kompozita. Proteklih godina sve više se poklanja pažnja izučavanju kalcijum fosfatnih biomaterijala u smeši sa bioresorbilnim polimerima, koji su neophodni u lečenju šireg spektra koštanihdefekata. Na Slici 5 prikazana je AFM nanočtestica praha CP/DLPLG koji u smeši sa fiziološkim rastvorom formIra injektabilni nano-kompozitni biomaterijal željenih svojstava. Nano-čestice CP obložene su bioresorbilnim polimerom DLPLG, a veličina kompozitnih čestica je od 30 do 40 nm. Od nano-čestica HAp i polisaharida načInjene su nano-injektablIne paste koje se mogu upotrebiti u rekonstrukcijama alveolarne kosti. Nakon aplikacije nano-kompozitni biomaterijal CP/DLPLG indukovao je brže stvaranje kosti (korteksa) u poredenju sa istom vrstom milcro- ill submikro-kompozita.

11

Slika5 AFM nano-kompozitnog biomaterijala

Upotrebom nano-kompozita CP/DLPLG ostvaren je brži proces reparacije. Uz prisustvo faktora rasta i hemokina, koji privlače ćelije sa izraženim proteolitičkim svojstvima i aktivnom ulogom u angiogenezi i transportu osteoprogenitornih ćelija, došlo je do pospešnije ćelijske proliferacije, diferencijacije i stvaranja nove nelamelarne kosti, koja je u procesu intenzivnlje remodelacije uslovila stvaranja lamelarne, a zatim kortikalne kosti sa najpravilnijom strukturom(Slika 6). Ovako intenzivna osteogeneza u odnosu na mikro-kompozit CP/DLPLG, verovatno je posledica udruženog dejstva inflamatornog procesa u okolini, minimalnog međuprostora između lokalne kosti i paste nano-kompozita koja je dobro komprimovana, zatim veličine prosečnog prečnika sfernih čestica sa prevlakom od polimera na svojoj površini, što omogućuje dobru adheziju osteoprogenitornih ćelija koje uslovIjavaju intenzivniju ćelijsku proliferaciju, diferencijaciju i osteogenezu tj. stvaranje nove kosti.

Slika 6. Histološki preparat nakon 6 nedelja primene CP/DLPL

12

U dananje vreme se vrše brojna Istraživanja u cilju sinteze i primene različith kompozitnih biomaterljala sa prosečnim prečnikom čestica manjim od 100 nm. Pored pomenutih keramičkih čestica obloženih polimerom (slika 7a)posebnu pažnju privlače metalne i semikonduktorske nanočestice (zIata,srebra, platine, gvožde oksida, silicljum oksida itd) obložene polimerima (slika 7 b) zbog potencijalne primene u fototermalnim terapijama kancera i njegove fotodijagnostike. Radljus nano-čestice (Rb) kao i debijina sloja polimera (dp) imaju odlučujući uticaj na svojstva kompozitnog biomaterijala. Pod uticajem svetlosti ovi parametri rukovode procesima generisanja toplote i potencijalnog uništenja ćelija tumora.

Slika 7. Šematski prikaz organizacije obloženih nanočestica; a)CP sa DLPLG, b) zlato sa polomerom

5. Modaliteti povećanja efikasnosti kompozitnih implanata

Nakon ugradnje kompozitnih implanata organizam se ponaša prema njima kao prema stranom telu. Od prImarnog je značaja prihvatanje implanta od strane organizma i svođenje negativnog odgovora organizma na minimum. Postoje brojni faktori koji utiču na odgovor organizma, a njihovo dejstvo je sinergetsko, medusobno zavisno i kompleksno. U cilju postizanja to efikasnije primene koimpozitnih implanata, mogu se primeniti različiti fizikalni agensi kao što su fototerapijski, magnetoterapijskl, elektroterapijski, sonoterapijski itd. Posebna važnost usmerena je ka granici izmedu okolnog tkiva i kompozitnog biomaterijala, jer okolno tkivo prvo dolazi u interakciju sa površinomimplanta.

13

Od kada je 1997. FDA odobrio primenu lasera definisane talasne dužine u medicini, laseroterapija kao deo fototerapijskih agenasa naišla je na značajniju primenu u medicini. Laseri male snage (niskoenergetski laseri) pri snazi od 10 mW mogu imati dužinu prodora u tkivo od 5-7 mm (lnGaAI), 3 cm (GaAIAs) do 5 cm (GaAs). Laseri male snage (soft LASER) dovode do odredenih biostimulativnih efekata bez morfologkih promena tkiva i primenjenog kompozitnog biomaterijala. BiostimulativnI efekti podrazumevaju pojavu analgezije, antiinflamatornog delovanja i poboljganja regenerativnih sposobnosti tkiva.

Osnove mehanizma delovanja lasera male snage, odnose se na fotofizičke i fotohemijske reakcije. Pretpostavljeni mehanizam delovanja je dvojak. S jedne strane stoje lokalna zbivanja u vidu metabolitičh izrmena unutar tkiva, a usled promena bioenergetskog stanja. S druge strane su refleksna zbivanja, bilo da su nastala pri marnjm delovanjem laserske svetlosti na aferentne ekscitabilne strukture, ili da su nastala kao odgovor na primarna metabolička zbivanja. U procesima regeneracije koštanih defekata laseri male snage u velikoj meri poboljšavaju proliferaciju fibro-blasta, reprodukciju kolagena, enzimsku aktivnost, učešće imunokompetentnih ćelija, mikrocirkulaciju itd. Primarni efekti dejstva se u najvećoj meri odnose na fotohemijske (zasitivaju si na stimulaciji oslobadanja hemijskih medijatora i ubrzavanja sinteze vitamins A i D) i fotoelektrične. Sekundrani efekti unapreduju ćelijski metabolizam (energijom koju ćelije prime od lasera što na kraju dovodi do stimulacije ćelijskog disanja) i stimulišu mikrocirkulaciju (povećavaju koncentraciju histamina koja dlrektno utiče na arteriolarnu dilataciju). Laserl male snage (HeNe i GaAIAs) ne samo da stimuligu regenerativne procese koštanog tkiva nego poboljšavaju i oseointegraciju kompozitnih implanata korišćenih u reparaciji. Slika 8.

Slika 8.. Tretman laserom male snage nakon rekonstrukcije kompozitnim implantom od kompozitnog biomaterijala CP/DLPL

14

Magnetno polje u medicini se koristi već više hiljada godina. Drevni lekar Ebers u Egiptu je 3.600 godina pre Hrista, zapisao na papirusu recept za lečenje povreda glave materijalom artpet - meteoritom slabe magnetne aktivnosti. Dosadašnje teorije mehanizma delovanja magnetnog polja polaze od toga da je ćelijslca membrana ključno mesto na koje magnetno polje deluje. Delujući na strukturnu organizaciju lipoproteina magnetno polje menja permeabilnost ćelijske membrane i utiče na ravnotežu jona izmedu njene spoljagnje i unutragnje sredine. Magnetno polje menja distribuciju jona na obe strane ćelijske membrane i tako deluje na potencijalne zapaljenske procese nakon rekonstrukcije tkiva sa kompozitnim biomaterijalima, koje se inače odlikuju promenom jonske ravnoteže. Prilikom rekonstrukcije koštanog tkiva, magnetno polje stimuliše osteogenezu na taj način što u predelu rekonstrukcije indukuje piezoelektrieni efekat, izaziva hipervaskularizaciju, bolji prenos kiseonika itd. Magnetno polje ne izaziva hipertermički efekat (lokalno povećanje temperature) i iz tih razloga pogodno je za primenu kod rekonstrukcija tkiva sa kompozitnim biomaterijalIma koji se sastoje od termosenzibilnih faza (npr. bioresorbilnih polimera).

6. Prilog

Slika 9.Veštački kuk napravljen od kompozitnog biomaterijala

Kompozitni materijal za izradu proteze kuka poznat je kao karbon-karbon-kompozit. Koriste se ugljenicna vlakna i ugljenik u prahu. Oblikovanje se vrši u kalupima, a zatim sledi sinterovanje. Ima odgovarajucu biokompatibilnost, ali zbog neodgovarajucih mehanickih karakteristika nije našao širu primenu u klinickoj praksi. Na slici 9. prikazana je stem proteza kuka od kompozitnog materijala

15

7. Zaključak

Najuspešnija primena kompozitvih biomaterijala je u oblasti stomatologije kao restaurativnih materijala ili stomatoloskih cementa. Iako je bilo pokušaja primene za popravku kostiju i zamenu zglobova, uzveši u obzir njihove niže vrednosti modula elastičnosti, ovi materijali nisu pokazali kombinaciju mehaničkih i bioloskih svojstava odgovarajućih za ove aplikacije. Međutim intenzivno se koriste u izradi veštačkih protetskih udova, pošto ih kombinacija niske gustine, težine i visoke čvrstoće čine idealnim materijalima za takve primene.

Literatura:

[1] Biomaterijali Dejan Raković,, Dragan Uskoković...2010