Date post: | 31-Jan-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | alexandra-dalx |
View: | 10 times |
Download: | 0 times |
Procese de
interfata
biomaterial - tesut
CONF. STANCU IZABELA| CURS 1
Cuprins:
Prezentare titular de curs
Fisa disciplinei
Metode de evaluare
Introducere
Prezentare titular de curs
Fisa disciplinei
Metode de evaluare
Introducere
Titular de curs: Stancu Izabela-Cristina
UPB FCASM APMG
2000 – PREZENT - doctorand cu frecventa, asistent universitar, sef lucrari,
conferentiar universitar
2010-prezent: Coordonator de proiecte de cercetare (Project Team Leader) in cadrul Grupului de Materiale Polimerice Avansate
(www.tsocm.pub.ro/APMG)
FEBR. 2002 – DEC. 2002; 11 luni Stagiu de doctorat; biomateriale ortopedice, metode de testare biologica
MAI 2005 – IUN. 2006; 13 luni Biosenzori, proteomica, tehnici de bioconjugare, biofunctionalizare aur, SAMs
Molecular Imaging for Label Free Detection in Functional Proteomics FP5-HPMD-CT-2001-00077
NOV. 2006 – NOV. 2007; 12 luni Cimenturi ortopedice; compozite polimerice; biofunctionalizare peptide-
polimeri
Injectable macroporous biomaterials based on Calcium Phosphate cements
for bone regeneration, FP6-STRP NMP3-CT-2005-013912
Experienta in tara
Experienta in strainatate
Societatea Europeana de Biomateriale
- membru comitet YSF http://www.esbiomaterials.eu/index.php?cid=YSF&op=4
- membru Comitet EDA - European Doctoral Award
Young Scientists Forum - Board
THE EUROPEAN SOCIETY
FOR BIOMATERIALS youngyoung.scientistsforum.scientistsforum
THE EUROPEAN SOCIETY
FOR BIOMATERIALS youngyoung.scientistsforum.scientistsforum
YSF events - Highlights
2012 “Challenges and Opportunities of Young Scientists in Biomaterials Science” - WBC2012 The 9th World Biomaterials Congress - Chengdu, China 1st - 5th June
2013 “Career Development - Challenges and Opportunities”, September 8th Madrid, ESB
2013 - 25th European Conference on Biomaterials, 2013, Madrid, Spain
2014 “Entrepreneurship: an academic and industrial perspective” – August 31st Liverpool,
ESB 2014 - 26th European Conference on Biomaterials, (http://esb2014.org/young-
scientists/)
2014 – YSF Winter School preceding “Advanced Materials for Biomedical Applications” conference – November 18th – 21st Ghent, Belgium, (see http://www.pbm.ugent.be/ and
register @ https://chaos.ugent.be/congres/AMBA/)
Dr. Diana Dragusin
Dr. Andrada Serafim
Drd. Sergiu Cecoltan
Laborant Amelia Dobre
Obiectivele disciplinei
Curs: Evidențierea celor mai importante fenomene care au loc la interfața biomaterial-
țesut. Noţiuni fundamentale de știinta si ingineria materialelor (tipuri de biomateriale și
proprietatile acestora atât superficiale cât și de masă) și de ordin biologic (atât reacții ale organismului la prezența biomaterialelor, cât și reacții ale biomaterialelor la mediile biologice/fiziologice)
expunere a interacțiunilor dintre materiale și țesuturi tehnici specifice de identificare/monitorizare a acestor interacțiuni. Aplicatii: noţiuni fundamentale de știinta si ingineria materialelor (tipuri de biomateriale și
proprietatile acestora atât superficiale cât și de masă) și de ordin biologic (atât reacții ale organismului la prezența biomaterialelor, cât și reacții ale biomaterialelor la mediile biologice/fiziologice)
- expunere a interacțiunilor dintre materiale și țesuturi tehnici specifice de identificare/monitorizare a acestor interacțiuni.
Pentru aplicaţii - evidențierea practică a unor aspecte importante ale disciplinei. Au fost selectate
aplicații care urmăresc deprinderea unor metode practice de evidențiere a fenomenelor complexe care au loc la interfața biomaterial-țesut printr-o gamă vastă de metode: spectroscopie în infraroșu, spectrometrie UV-VIS, colorații histologice, studii de gonflare, eliberarea controlată de principii active
Locatie: 1-7 Gh Polizu, corp I, I101.
Miercuri 10-12:00
Laborator: corp A, etaj I, laborator Fizica Polimerilor
Assessment Criteria
Participare activa / teme
Laborator
Partial
Examen
15
25
30
30
Percent of Grade
Participare activa / teme Laborator
Partial Final exam
Conditii minimale:
1. Promovare laborator (> 13p).
2. > 50% total. (>50p)
Final : rotunjire.
Prezentare titular de curs
Fisa disciplinei
Metode de evaluare
Introducere
Terminologie …
A - adeziune,
B – biomaterial, biocompatibilitate, biodegradare,
bio-inspirat
C – calcifiere, D – degradare, E – eroziune,
M - mineralizare
Biomaterial:
• Material neviu folosit intr-un dispozitiv medical destinat interactiunii cu sisteme
biologice. A nonviable material used in a medical device intended to interact with
biological systems
(Williams 1987 - The Consensus Conference I of the European Society for Biomaterials)
• Una dintre cele 8 domenii prioritare din sectorul materialelor: o noua generatie de
materiale care incurajeaza si imbunatateste restaurarea si repararea functiilor
tesuturilor ( 1995 - The UK Office for Science and Technology (OST) )
• Material sintetic folosit pentru a inlocui o parte a unui sistem viu, sau pentru a
functiona in contact intim cu tesutul viu (Ratner et al. 1996)
• O substanta inerta sistemic si farmacologic, destinata implantarii sau incorporarii in
sisteme vii. A systemically and pharmacologically inert substance designed for
implantation within or incorporation with living systems
(The Clemson University Advisory Board for Biomaterials)
Dispozitiv medical:
Termenul dispozitiv inseamna instrument, aparat, masina, implant, reactiv in vitro,
sau orice produs similar, inclusiv parti, componente, accesorii, care:
- este recunoscut in Formularul National oficial, in United States Pharmacopeia, sau
in orice supliment al acestora;
- este destinat folosirii in scopul diagnosticarii de boli sau al altor conditii, la om sau
animal;
- este destinat a afecta structura si functionarea organismului uman sau animal si
care nu isi atinge obiectivul prin actiune chimica in sau pe corpul uman sau animal.
(US Federal, Food, Drug, and Cosmetic Act, AAMI/ANSI/ISO 13485: 2003)
Food and Drug Administration (FDA)
“Medical implants are devices or tissues that are placed inside or on the surface of
the body. Many implants are prosthetics, intended to replace missing body
parts. Other implants deliver medication, monitor body functions, or provide support
to organs and tissues. Some implants are made from skin, bone or other body
tissues. Others are made from metal, plastic, ceramic or other materials. Implants
can be placed permanently or they can be removed once they are no longer
needed. For example, stents or hip implants are intended to be permanent. But
chemotherapy ports or screws to repair broken bones can be removed when they
no longer needed.”
Biocompatibilitate: abilitatea unui material de a functiona cu un raspuns gazda
convenabil intr-o aplicatie specifica (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999, from The Consensus Conference II of
the ESB)
Bioactivitate: fenomen prin care un biomaterial genereaza sau moduleaza
activitate biologica (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999, from The Consensus Conference II of
the ESB)
Bioinert: termen folosit pentru a caracteriza materiale considerate a fi inerte intr-un
mediu biologic. (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)
Bioabsorbabil: capabil sa fie degradat sau dizolvat si in consecinta metabolizat intr-
un organism (The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)
Biodegradare: distrugere treptata a unui material mediata de o activitate biologica
specifica
(The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999)
Putina istorie
> 3000 ani – primele biomateriale:
lemn, fildes, os, aur, piatra – pentru inlocuirea dintilor si
umplerea defectelor osoase;
Preocupare permanenta - redarea integritatii functionale /
structurale a corpului
~3000 years old female mummy studied by the German researchers at Ludwig Maximilians University in Munnich
[Biomatter, 2012. 2(2): p. 53-70]
CEA MAI VECHE PROTEZA FUNCTIONALA Deget din lemn
Amputarea degetului – afectiune arteriala; Remodelare tisulara slaba; Refacerea pielii pe bont; Urme care dovedesc utilizarea protezei in timpul vietii.
http://discovermagazine.com/2001/apr/breakwalk
Solutii practicate:
Oamenii bogati isi inlocuiau dintii bolnavi cu dinti extrasi de la sclavi sau
oameni saraci care ii vindeau.
Cand dintii umani nu erau disponibili se foloseau dinti de animale.
Craniul din Kanamarca – “the first unequivocal case in the Prehispanic Americas where a bone plug is removed and replaced in the trepanation opening” [Int. J.Osteoarchaeol. 2010. 20 p. 269-279]
Repozitionarea piesei osoase; probabil
post-mortem.
www.interscience. wiley.com/journal/oa http://www.pbs.org/wgbh/nova/ancient/inca-skull-surgery.html
Prometeu inlantuit Marmura de Nicolas-Sebastien ADAM (Nancy, 1705 – Paris, 1778) Louvru, Paris, Franta
Mitologia greaca:
Mitul lui Prometeu pedepsit sa fie ranit
permanent de un vultur; ficatul sau se
regenereaza.
Anticiparea timpurie principiilor
Medicinei Regenerative
Vindecarea lui Justinian de catre Sf. Cosma si Sf.
Damian” – transplant de picior de la un egiptean
http://365rosaries.blogspot.ro/2010/09/september-26-saints-cosmas-and-damian.html
Moment de rascruce
1860 – Lister – tehnici antiseptice – este posibila practicarea folosirii biomaterialelor.
Incepe era moderna a Biomaterialelor
http://www.acepilots.com/british/bader.html
Al Doilea Razboi Mondial - Fragmente de
poli(metacrilat de metil) (PMMA) din carlinga
avioanelor nu au produs raspuns inflamator la
nivelul ochiului.
1949 – Howard Ridley - oftalmolog RAF -
Recunoaste compatibilitatea PMMA cu ochiul
si inlocuieste primul cristalin cu lentile din
PMMA.
[History of Biomaterials and Tissue Engineering. From Re-placement to Re-generation, Biomaterials and Tissue Engineering - Biomedical Devices and Cell-based Therapies, Prof. Matteo Santin, 2011]
• Thomas Graham (1861) – demonstreaza ca pergamentul vegetal are rol de
membrana semipermeabila – introduce termenul DIALIZA
• 1944 Willem Kolff – utilizeaza prima data dializa pentru a trata afectiuni renale grave
History of Biomaterials and Tissue Engineering. From Re-placement to Re-generation, Biomaterials and Tissue Engineering - Biomedical Devices and Cell-based Therapies, Prof. Matteo Santin, 2011
http://www.thekidneydoctor.org/2012/02/remembering-willem-kolff.html
Prima generatie de biomateriale
Medicii folosesc materiale deja disponibile
Succesul - caracter accidental vs. proiectat
Example:
Aur
Ochi din sticla
Tesatura de parasuta pentru grefe vasculare
Implant dentar din titan
Cimenturi osoase
…
Prima generatie de biomateriale
Medicii folosesc materiale deja disponibile
Succesul - caracter accidental vs. proiectat
Example:
Aur
Ochi din sticla
Tesatura de parasuta pentru grefe vasculare
Implant dentar din titan
Cimenturi osoase
…
Probleme asociate
Biocompatibilitate
Raspuns imun
Esec prin neintegrare corespunzatoare (ex. inlocuiri de sold)
Infectii si formare biofilm
Leakage – ex. implant de san din silicon
A doua generatie de biomateriale
1950-1960 – evolutie spectaculoasa a tehnicilor chirurgicale
apare cererea de materiale pentru o gama larga de dispozitive
implantabile si organe artificiale
se dezvolta o categorie de materiale concepute pentru inlocuirea
tesuturilor
obtinute folosind materiale comune, folosite in alte domenii
dezvoltarea colaborarii medici – ingineri – specialisti in materiale
Caracter inter- si multi-disciplinar
se foloseste experienta dobandita cu prima generatie de materiale
Biomateriale, compozitie
Biomateriale:
Polimeri
Metale
Ceramici
Compozite
Metode de obtinere:
Sisteme multicomponente diverse:
Compozite/amestecuri/retele
(semi)interpenetrate de polimeri
Acoperiri
Turnare/injectie
Biofunctionalizare superficiala
Modificari ale topografiei
Nedegradabile: Alcool polivinilic / Poly(vinyl
alcohol), Salubria (Salumedica, US)
Poli(hidroxietil metacrilat) si
poli(metacrilat de metil) /Poly(2-
hydroxyethyl methacrylate) and
poly(methyl methacrylate)
Poli(N-izopropil acrilamida) / Poly(N-
isopropylacrylamide)
Polietilena / Polyethylene
Poliuretani / Polyurethanes
Silicon / Silicone
Politetrafluoroetilena /
Polytertrafluoro ethylene
Degradabile: Acid poliglicolic / Poly(glycolic acid)
Acid polilactic / Poly(lactic acid)
Poly(ethylene oxide)
Policaprolactona / Polycaprolactone
Alginat / Alginate
Chitosan
Colagen / Collagen
Acid hialuronic / hyaluronic acid,
hyaluronan
Fibrin glue
Ramakrishna S. et al. (2001) Surf. Sci. 61, 1189-
1224
A doua generatie de biomateriale polimerice:
Oteluri inoxidabile
Titan si aliaje de titan
Crom/cobalt
A doua generatie de biomateriale metalice:
Hidroxiapatita
Fosfat de calciu amorf
Cimenturi pe baza de fosfat de calciu
Biosticla Bioglass®
A doua generatie de biomateriale ceramice:
Lipsa citotoxicitatii
Raspuns imun moderat
Prezinta proprietati care induc aderenta celulara
Posibilitate de biodegradare
A doua generatie de biomateriale - proprietati:
VIS - REALITATE
R. Langer, G. Mikos (M.I.T.) , J. Vacanti
(Harvard) [Science, 1993. 260(5110): p. 920-926]
Viziune de pionierat: Langer si
Vacanti - 1993
"When nature finishes producing its own species, man begins, using natural things in
harmony with this very nature, to create an infinity of species." - Leonardo da Vinci
A treia generatie de biomateriale:
A treia generatie de biomateriale
Element central - Biocompatibilitatea:
Definitia veche: materiale inerte
Definitia noua: abilitatea unui material de a induce un
raspuns asteptat; abilitatea de a permite procese de
vindecare normale
Castner DG, Ratner BD, (2002) Surf. Sci. 500 28-60)
Medicina regenerativa / Ingineria tisulara
A treia generatie de biomateriale
“Tissue Engineering is an interdisciplinary field that applies the
principles of engineering and life sciences (combination of
cells, engineering and biomaterials) toward the development
of biological substitutes that restore, maintain, or improve
tissue function or a whole organ”
Ingineria tisulara este un domeniu interdisciplinar care aplica principiile ingineriei si stiintelor vietii (combinand celule, inginerie si biomateriale) in
vederea dezvoltarii unor substitute biologice care redau, mentin sau
imbunatatesc functionarea unui tesut sau a unui organ.
[Science, Langer & Vacanti, 1993, 260(5110): p. 920-926
Medicina regenerativa / Ingineria tisulara
Multi- si inter-disciplinaritate:
Materiale noi dezvoltate prin efortul comun al biologilor,
chimistilor, inginerilor, medicilor….
Atribute noi:
Biomimetism, asemanare cu elementele naturale
Bioactivitate
Biodegradabilitate
A treia generatie de biomateriale
Proprietati ideale ale unui biomaterial
biodegradabil
Stimularea formarii de tesut nou functional la nivelul leziunii
Viteza de degradare comparabila cu cea de regenerare a
tesutului gazda
Raspuns imun redus
Produsi de degradare netoxici
Dupa Al Doilea Razboi Mondial - the Guinea Pigs Club – piloti cu arsuri
grave, cazuri de diformitate faciala
Sir Archibald McIndoe - tehnici chirurgicale avansate de regenerare tisulara
Activitate de pionierat in medicina regenerativa:
http://www.youtube.com/watch?v=3ZkmYmLLyrA
http://www.historylearningsite.co.uk/guinea_pig_club.htm
Sir Archibald McIndoe with Guinea Club members
Activitate de pionierat in medicina
regenerativa:
Surviving members of the club try to meet each year and since the death of Sir
Archibald McIndoe in 1960, the Duke of Edinburgh has been the club's president.
http://www.historylearningsite.co.uk/guinea_pig_club.htm
http://www.eastgrinsteadmuseum.org.uk/guinea_pig_club
1970 – 1980: Dr WT Green, Children’s Hospital Boston:
generare de cartilaj cultivand condrocite pe fragmente osoase – implantate
in soareci – esec; Se atrage atentia asupra
Importanta substratului (scaffold) pentru celule
Dr. J Burke si Dr. I Yannos, MIT, Boston
fibroblaste dermale pe bureti de colagen pentru regenerarea pielii;
E. Bell
fibroblaste pe colagen;
Dr. H Green keratinocite.
Activitate de pionierat in medicina regenerativa:
1980- inceputul anilor 1990
Dr. J. Vacanti, Children’s Hospital si Dr. R. Langer, MIT, Boston, SUA
Studii folosind substraturi pe baza de polimeri biodegradabili
pentru cell delivery
Activitate de pionierat in medicina
regenerativa:
Boston Ear Mouse /
Vacanti’s mouse
http://www.massgeneral.org/research/researchlab.aspx?id=1129 http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/1949073.stm
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
0-24 years over 80 years
Inc
rea
se
(1
99
5-2
02
5)
European population age
Marile progrese din stiinta si tehnologie
Impact urias asupra duratei de viata si asupra
calitatii vietii:
In 1900 – cauza majora a
mortalitatii patologice in SUA –
pneunomia, gripa, tuberculoza etc.
Din 1940, majoritatea deceselor
patologice din SUA au ca si cauze:
boli cardiovasculare, cancer si alte
boli “ale stilului de viata” (lifestyle diseases).
la sfarsitul anilor 1990, > 60% din
numarul total de decese – cauze
lifestyle diseases
Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit materiale naturale si sintetice
pentru redarea / mentinerea intergritatii structurale si functionale a
organismului;
Materialele au cunoscut o evolutie continua; diverse clase;
Strategiile de vindecare – schimbare radicala:
de la INLOCUIRE la REGENERARE: INGINERIE TISULARA (Tissue Engineering).
Concluzii
Surse de documentare stiintifica - sugestii
Societatea Europeana de Biomateriale – ESB (www.esbiomaterials.eu) Food and Drug Administration – FDA (http://www.fda.gov/MedicalDevices)
Strategies in Regenerative Medicine. Integrating Biology with Materials Design, Ed. Matteo Santin, Springer, 2009 ESB Consensus Conference I – Williams, D.F., Definitions in Biomaterials, Elsevier, Amsterdam, 1987 ESB Consensus Conference II – Dohery P.J., Williams R.L., Williams D.F., and Lee A.J.C., Biomaterial-Tissue Interfaces, Elsevier, Amsterdam, 1992
Larousse Science – Larousse Dictionary of Science and Technology, Larousse, Edinburgh, 1995 Oxford Science – Oxford Concise Science Dictionary, Oxford University Press, 3rd Edition, 1996 MEDLINE – Medical Subject Heading, National Library of Medicine, US National Institute of Health The Williams Dictionary of Biomaterials, Liverpool University Press, 1999 ……
Questions?