Modificarea suprafetelor implantabile, in vederea cresterii bioperformantelor.

Biomaterialele, nanotehnologia si biocompatibilitatea.

I. Demetrescu

Curs POSDRU

University Politehnica of Bucharest, University Politehnica of Bucharest, ROMANIAROMANIAFaculty of Applied Chemistry and Materials ScienceFaculty of Applied Chemistry and Materials Science

Cuprins

• Introducere. Motivatia;• Definirea bioperformantei; • Despre natura nanomaterialelor;• Biomaterialele,nanotehnologia si biocompatibilitatea;• Anodizarea electrochimica , mijloc de modificarea suprafetetelor

metalice implantabile de la micro la nanostructuri.• Efectul nanodimensiunii si dimensiunea critica in bioaplicatii.• Modificarea suprafetelor metalice implantabile cu acoperiri

biomimetice, puncte forte si puncte slabe.

Motivatie si suport

• Motivatie : necesitatea de a imbunatati biomaterialele implantabile in contextul dezvoltarii acoperirilor de suprafata

• Suport : Proiecte si colaborari:• C.N.C.S.I.S.TIPA. „Obtinerea si caracterizarea de noi micro si nanostructuri compozite cu utilizare in

ingineria tisulara” • Elaborarea si testarea in vitro si in vivo a unor elemente de protezare pentru ortopedie, realizate din

noi biomateriale romanesti • Bilaterala Franta Brincusi «Couches minces d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de titane pour

différentes applications technologiques et biomédicales• Proiect CEEX Micro si nanostructuri obtinute prin bioactivare chimica si electrochimica cu aplicatii in

medicina regenerativa• Proiect PN2 IDEI Studii exploratorii asupra mecanismului de formare si inducere de noi proprietati

unor electrozi modificati cu forme structurale TiO2 nanotuburi / nanoparticule si compozite polimerice

• Proiect PN2 IDEI complexe PCCE Noi concepte si strategii pentru dezvoltarea cunoasterii unor

noi structuri biocompatibile in bioinginerie

Ce este “bioperformanta” ?

• Prin performanta intelegem indeplinirea unei activitati in raport cu standarde impuse (precizie, viteze, cost etc) ; exista performante inalte si performante slabe.

• Bioperformanta se refera la performanta in domeniul bioaplicatiilor si poate avea mai multe valente cand vizeaza comportarea biomaterialelor;

• ex pentru materiale metalice implantabile:Ti, CoCr, Otel 316L • Ti si alajele Ti sunt bioimplante preferate datorita proprietatilor: densitate mica,

biocompatibilitate, rezistenta la coroziune si uzura, proprietati mecanice. La suprafata Ti apare spontan strat de oxid (3-7 nm) nonstoichiometric, care da seama de proprietatile chimice si biologice aleTi si are rol in adsorptia de proteine, cationi si anioni.

• Pe suprafata Ti, moleculele de TiO2 devin dipoli cu cap pozitiv Ti si negativ de oxigen. In biofluide, OH- se leaga de Ti din TiO2 si formeaza grupe TiOH.Oxidul impiedica eliberarea de ioni.

• Aliajele CoCr formeaza de asemenea oxizi pasivi care impiedica coroziunea.• Performanta in aceste cazuri este stabilitatea.

Metale bioabsorbabile si biocorodabilePerformanta este legata de corodarea lor

- Sticla metalica ( baza Mg ) in chirurgia ortopedica are dezavantaj producerea de H2.; Se contracareaza dezavantajul cu suplimentarea cantitatii de Zn (35% zinc, 5% calciu, 60% magneziu)

• Pentru stenturi s-au utilizat aliaje de fier ( stenturi traditionale) si aliaje de Mg.• Biocompatibilitatea lor depinde de solubilitatea lor si de eliberarea produsilor de

degradare. Toxicitatea locala este legata de concentratia locala de elemente in timp. Toleranta tesutului pentru mediul fiziologic din jurul metalului depinde de schimbarile din tesut induse de coroziune.

• Peuster a raportat experimente cu stenturi de fier. Au implantat stenturi din 41 mg (cantitatea de fier egala cu ingerarea pe luna ) in aorta iepurilor albi si nu s-a observat tromboza sau alte evenimente adverse timp de 18 luni.

Stenturi din aliaje cu Mg• Atractive pentru bioabsorbtie. • Heublein si altii au condus teste preclinice in vitro si in vivo• S-a demonstrat nivel ridicat de degradare de la 60 la 90 zile, in timp ce integritatea

totala a stentului ramanea doar 28 zile.

• In vitro s- a studiat integritatea stenturilor cu celule endotelilale• Testele pe animale cu stenturi din aliaje Mg implantate in artera coronara la porcine

au demonstrat reducerea formarii de legaturi in comparatie cu stenturile din 316 L,

• S-a observat remodelarea zonei din jurul stentului timp pana la 30 la zile cand a avut loc absorbtia completa.

• In plus nu apar evenimente tromboembolice (ocluzia unui vas sanguin ca urmare a trecerii succesive de cheaguri sanguine provenite de la o trombiza vasculara) iar cazurile de inflamare sunt putine si de gravitate mult inferioara celor provocate de stenturi din L316.

Stenturi

“Best techniques” in evaluarea bioperformantei• Eliberare de ioni (identificare si cuantificare); technica ICP/MS ICP/MS ;• Stabilitate electrochemica ( v. coroziune ) ;

• Structura filmului (FT-IR) ;

• Morfologia suprafetei si compozitia la suprafata ( Scanning electronic microscopy (ESEM) with an EDAX module (X ray energy dispersive) ;

• Balanta hidrofil/hidrofob la interfata ;

•• Analiza de suprafata (AFM) Analiza de suprafata (AFM) ;•• Microscopie TEM Microscopie TEM ;• Biocompatibilitate (adeziune, proliferare celulara, viabilitate MTT ) ;• Efecte antimicrobiene ;

Scurt istoric asupra biomaterialelor• 1860: Lister dezvolta tehnica chirurgicala aseptica

• Inceputul anilor 1900: placi osoase utilizate pentru a fixa fracturi

• 1930: Introducerea otelului inox, aliajelor Co/Cr• 1938 : prima proteza totala de sold (P. Wiles)

• 1940: Polimeri in medicina PMMA (polimetilmetacrilat) pentru reparare oase; celuloza pentru dializa; nylon pentru suturi

• 1952: valva cardiaca mecanica• 1953: grefe vasculare Dacron (fibre polimeri)• 1958: inlocuitor articulatie PMMA cimentat• 1960: primele valve cardiace comerciale• 1970: film subtire rezistent de acoperire PEO (polietilen oxid) proteina• 1976: Amendament FDA pentru testarea si productia biomaterialelor/

dispozitivelor• 1976: Inima artificiala (W. Kolff)

Biomaterial Definitii

• 1987, ESB [1], biomaterialul este un material neviu utilizat intr-un dispozitiv medical in directa interactie cu sistemul biologic.

• 5 ani mai tarziu dispare referirea la “nonviabilitate” [2], • In1999 [3], definitia introduce termenul de a evalua a trata a imbunatati

sau a inlocui un organ sau o functie a corpului viu;• Alte dictionare in troduc o alta abordare si semnificatie privitoare la ‘bio’;

de ex., Larousse Science defineste biomaterialul ca pe un solid alcatuit din componente de organism viu precum chitina, fibrinogen sau os [4].

• [1] Williams DF. Definitions in biomaterials. Amsterdam: Elsevier; 1987.• [2] Doherty P, Williams RL, Williams DF, Lee AC. Biomaterials–tissue interfaces. Amsterdam: Elsevier; 1992.• [3] Williams DF. The Williams dictionary of biomaterials. Liverpool: Liverpool University Press; 1999.• [4] Walker PMB, editor. Larousse dictionary of science and technology. New York: Larousse Press; 2006.

Asupra naturii biomaterialelor (D.F. Williams / Biomaterials 30 (2009) 5897–5909)

Materiale clasice, tehnologii clasice (a) Vascular graft; polyethylene terephthalate orpolytetrafluoroethylene ; (b) valva cardiaca mecanica ; alcatuita din aliaj titan ori cobalt-crom, carbon pyrolytic carbon, si inel din polyethylene terephthalate, tehnologie standardpentru elaborare metale, CVD pentru carbon ;(c) Valva cardiaca bioprosteica ; din aorta deporcine cu polimer (e.g. acetyl copolymer) or metal; (d) STENT Intravascular; din TiNi ori316 L cu acoperire polimerica

Concepte viabile si non viabile asupra biomaterialelor

• Williams afirma ca organele si tesuturile umane sau animale nu sunt biomateriale daca nu sunt prelucrate.

• Acestea vor fi biomateriale dupa procesare.

• Procesarea prin monitorizarea temperaturii doar pentru a mentine integritatea tesutului sau organului nu este suficienta.

• manipulare suficienta pentru ca acestea sa fie considerate biomateriale se considera cea care schimba caracterul materialului modificand raspunsul anticipat al recipienrului in care acesta se va introduce.

• dispute asupra gradului de manipulare care separa un transplant de ceea ce este mai corect de numit un organ obtinut inginereste.

• Separarea intre ingineria tisulara si dispozitivele implantabile.

Inginerie tisulara si nanomateriale

• Scopul ingineriei tisulare si a medicinei regenerativa: dezvoltarea substituentilor biologici care insanatosesc, mentin sau imbunatatesc tesutul deteriorat si functionalitatea. organului.

• Nanotehnologia si bionanomaterialele pot imita proprietatiile de suprafata (incluzand topografia, energia, etc. ) tesutului natural.

• Nanomaterialele dispun de proprietati mai bune citocompatibile, mecanice, electrice, optice, catalitice si magnetice fata de materialele conventionale.

• Nano-esafoade biomimetice pentru imbunatatirea ingineriei tisulare.• vasculare, nanomaterialele de viitor pentru aplicatii ortopedice.

-materialele la nanoscala pot fi clasificate tinand cont de forma:

- tubular (nanotuburi),

-nanofire,

- sferice,

- forme neregulate,

- agregate in diferite formatiuni.

14

Clasificari de nanomateriale

Avantajele biomimetice ale nanomaterialelor (A) nanostructura ierarhica auto-ansamblata a osului, (B) Nanofaza de titan (sus, imaginea AFM) si esafodul HAnanocristalin/HRN hidrogel (jos, imagine SEM)

Inginerie tisularaNanotehnologie si nanomateriale: promisiuni pentru regenerare

celulara imbunatatita

Inginerie tisulara

Nanotehnologie si nanomateriale: promisiuni pentru regenerare celulara imbunatatita

Avantajele biomimetice ale nanomaterialelor (C)Ilustrare schematica a mecanismului prin care nanomaterialele pot fi superioare materialelor conventionale pentru regenerare osoasa. Suprafetele bioactive ale nanomaterialelor imita pe cele ale oaselor naturale pentru a promova adsorptia marita a proteinelor si stimuleaza mai eficient formarea de os nou fata de materiale conventionale.

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

ScafoldConcept central in ingineria tisulara.

• Furnizeaza structura suport pentru aderarea si cresterea celulelor• Pot avea forme si compozitii diferite (spuma, fibre, retele, geluri)• Pot fi obtinute dintr-o gama larga de materiale• Sunt uzual biodegradabile

• Reprezinta o aplicatie majora a polimerilor in ingineria tisularaPolimeri sintetici biodegradabili: poli acid L-lactic (PLLA), poli acidD,L- lactic (PDLLA), poli acid glicolic (PGA), poli acid lactic-co-glicolic(PLGA), poli hidroxi butirati, poli ε-caprolactona, polidioxanona,polianhidride, polifosfazene, polipeptide, etc• Polimeri naturali biodegradabili: celuloza, chitina, chitosan, dextran,colagen, gelatina, fibrina, fibrinogen, cazeina, etc

Criterii pentru utilizarea structurilor scaffold in ingineria tisulara

• Promoveaza adeziunea celulara• Creste proliferarea celulara• Retentia functiei celulei diferentiate• Biodegradabilitatea• Biocompatibilitatea• Inalta porozitate• Raport mare suprafata/volum• Rezistenta mecanica• Distributie uniforma si pori

interconectati

O noua paradigma asupra biomaterialului

• In acceptia ingineriei tisulare se schimba controlul si intelegerea notiunii de biomaterial.

• Conceptul de material tangibil solid fabricat top-down nu mai este suficient• Trebuie sa luam in considerarea nanoparticulele active , hydrogeluri, agenti de

contrast solubili, sisteme biologice autoasamblate, celule si virusuri.

• materialul ’ poate fi deci o entitate singulara bine definita precum titanul si aliajele sau hydroxyapatita, ori poate fi un virus acoperit cu film de polymer cationic , ori un organ ingineresc.

• Importanta este functia biomaterialului care directioneaza cursul unui treatament medical , sau intervine in tratament si diagnoza si trebuie sa realizeze aceasta controland interactiile biologice a caror mecanism nu il cunoastem in intregime.

Celula, citoscheleton, biomaterial• Celula poate fi un biomaterial dupa Kasza et al. [1] si poat avea

proprietati analoge cu materialele clasice. Viscoelasticitatea, de ex permite ca celula sa fie considerata un sistem polimeric ce raspunde la stimuli.

• Rolul cytoskeletonului: Smith et al. [2] il defineste ca pe un polimer pe baza unui scaffold .Trepat et al. [3] afirma ca cytoskeletonul unei celule vii aderente este cea mai complexa forma de “soft” material care exista in natura. Stamenovic descrie proprietatile reologice ale celulelor mamare, in termeni de model sticlos moale. [4]

• Definitie biomaterial = o substanta care a fost procesata pentru a primi o forma care singura sau ca o parte a unui complex este folosita pentru a controla interactiile dintre componentii unui sistem viu, drumul unui proces terapeutic sau al diagnosticului, in medicina umana sau veterinara .

• [1].Kasza KE, Rowat AC, Liu J, Angelini CP, Brangwynne CP, Koenderink GH, et al.The cell as a material. Curr Opin Cell Biol 2007;19:101–7• [2]Smith D, Gentry B, Stuhrmann B, Huber F, Strehle D, Brunner C, et al. The cytoskeleton: an active polymer-based scaffold. Biophys Rev Lett 2009;4• (1–2):179–208.• [3] Trepat X, Lenormand G, Fredberg JJ. Universality in cell mechanics. Soft Mater 2008;4(9):1750–9.• [4] Stamenovic D. Rheological behavior of mammalian cells. Cell Mol Life Sci2008;65(22):3592–605.

Evolutia stiintei biomaterialelor spre suporturi populate de celuleutilizate in reconstructia de organe

Principiul realizarii unui construct pentru ingineria tisularaTEC“tissue-engineered construct”care contine un scaffold sau o matrice,celule viisi/sau molecule biologic active-pentru repararea si regenerarea tesuturilor.

Biomaterialele si nanotehnologia- Un nanomaterial este orice forma de material care este compus din

parti functionale distincte cu dimensiuni ( macar una dintre dimensiuni)de ordinul 100 nm sau mai putin or less “(D.F.Williams The relationship between biomaterials and nanotechnology Biomaterials 2008, 29,1737-1738)

• Dezvoltarea nanotehnologiei are o mare influenta asupra vietii, dar efectul micro/nanodimensiunilor asupra organismelor biologice nu este total cunoscut.

• Efectul nanodimensiunii materialelor asupra organismelor vii este : ne-specific, biointeractiv,si imbraca aspecte fizice.

Bioactivitatea

Bioactivitatea este un răspuns interfacial al ţesutului faţă dematerial, răspuns care în final rezultă printr-o legare de ţesut.

Pe os, bioactivitatea unui material poate fi subdivizată în:

•osteoinducţie - biostimularea osteogenetică a activităţiicelulare şi/sau ţesutului pentru repararea sau creştereadatorită ionilor eliberaţi în mediul biologic

•osteoconducţie - procesul prin care osul este direcţionatpentru a se conforma suprafeţei materialuluiMaterialele bioactive pot fi supuse bioresorbţiei (TCP) sau

poate demonstra biostabilitate (HA).

BioreactivitateaIn abordarea macroscopica a materialelor,termenul de biocompatibilitate este

impartit in 2 categorii : bioactiv si bio-inert. De examplu, metalele precum Ti sunt bioinerte (compatibile dar nonstimulative) si hidroxiapatita este bioactiva (capabila sa induca functii intrinseci organismului biologic, cum ar fi osteoconductivitatea)

ØBioactivitatea deobicei reprezinta un aspect pozitiv, un merit, dar exista sisituatii cand poate reprezenta un nemerit : pentru ambele situatii s-a introdus untermen mai general bioreactivitatea (F. Watari Nanobiomedicine 1,2 pp 2-8,2010)

Natura bilaterala a nanomaterialelor•Depinzand de dimensiunea lor nanoparticulele si nanomaterialele in general isi sustin natura bilaterala cu efecte pozitive si negative•Micro/nanoparticulele se considera biointeractive cand insusi dimensiunea induce raspunsul biologic; sub 10µm, mai pot cauza si stimula inflamari ale tesutului . •Acest efect este o problema in expunerea pe termen lung ori in cazul unei cantitati mari de (ex. Osteoliza cauzata de abraziune in incheieturi artificiale ).

Relatia biomaterialor cu nanotehnologia

• In multe aplicatii formularea unor biomateriale este in mod specific prezentata ca o entitate cu dimensiuni la nanoscala.

• Multe substante au o structura interna care poate fi considerata la nivel nano (de ex molecule sau cristale) dar acestea nu pot fi considerate apriori nanostructuri.

• Exista discutii in ce masura fulerenele sunt nanomateriale ori numai molecule. O clasă de compusi strâns înruditi, practic fulerene mult alungite, sunt nanotuburile de carbon.

• Este important ca un nanomaterial sa aiba proprietati distincte de materialul “bulk” ca o consecinta a alcaturii sale din parti functionale distincte.

• Aceste proprietati conduc la eficienta crescuta atat ca functionalizare cat si ca targetare.

• de ex interactiile intre DNA si materialele nanostructurate, sau aspecte biotechnologice ale biomaterialelor, incluzand agentii de imbunatatire a imaginilor.

Interactia dintre un biomaterial si mediulbiologic

• Interactia dintre un biomaterial si mediul biologic in care implantat (celule,tesuturi,lichide biologice)este dinamica si complexa. Celulele prin intermediul proteinelor, anticorpilor sau fagocitelor potactiona asupra materialului putand conduce la degradarea lui si eliberarea din el a unor produsesolubile,toxice, ce pot afecta tesutul gazda.Caracteristicile fizico-chimice, mecanice si morfologiceale dispozitivului pot avea un impact asupra tesutului gazda

biomaterial

caracteristicile chimice ale suprafetei, produsii de degradare/uzura eliberati

→←anticorpi, enzime si

alte proteine,fagocite

Este nanotehnologia asociata cu risc asupra sanatatii ?• Nanotehnologia are potential urias de influentare pozitiva a calitatii vietii prin multe

rezultate legate de medicina si biotehnologie;

• nanotehnologia este asociata cu risc asupra sanatatii

• Commisia Europeana [1,2] este ingrijorata privitor la efectele adverse ale nanoparticulelor.

• Nanoparticulele apar in numeroase procese naturale in ecosfera ca produse secundare de ex. in combustie.

• Nanotechnologiile genereaza nanoparticule, a caror distributie si destin in mediu si in organismul uman nu este clarificat.

• subiectul este important in special in legatura cu aspectul inhalarii, a toxicologiei si a patologiei.

• [1]European Commission, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR). Opinion on ‘the scientific aspects of the existing and proposed definitions relating to products of nanoscience and nanotechnologies. Adopted. Brussels: European Commission; 29 November 2007.

• [2] European Commission, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR). Opinion on ‘the appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks associated with engineered and adventitious products of nanotechology

Nanotuburi de carbon (Sumio Iijima 1991)

• (CNTs) structura si proprietati unice (Asakura et al. 2005; Ushiro et al. 2006)• Dezvoltare intensa a aplicatiilor in electronica si energie .

• Nanomateriale (Watari et al. 2007a,b, 2008b) si nanocompozite (Liao et al. 2007d )si efectele asupra organismului.

• Arguments ca CNTs prezinta toxicitate datorata formelor aciculare sau fibroase (asociere cu cacerul pulmonar indus de azbest .(Takagi et al. 2008).

• Ca element, carbonul (C) este bioinert. Grafitul este folosit ca valva artificial pentruinima datorita antitrombogenitatii sale

• Efectele biologice studiate pana in prezent (Kiura et al. 2005; Sato et al.• 2005a,b; Yokoyama et al. 2005a) si aplicatiile medicale (Fugetsu et al. 2004a,b;

Akasaka & Watari 2005, 2008, 2009 2010; Akasaka et al. 2005, Rosca et al. 2005;Uo et al. 2005a; Wang et al. 2005,

• 2007; Li et al. 2008b,c), indica necesitatea largirii studiilor

Imagine SEM de osteoblaste cultivate pe (a) grafit si pe (b) scaffold MWCNT timp de 7 zile

Celulele nu adera bine pe grafit si adera bine pe CNT.Bacteriile de dimensiuni submicronice si micronice sunt acaparate de SWCNT de nanodiametre diferite care se incolacesc in jurul lor(Akasaka & Watari 2009). Este un exemplu clar materialele la aceste dimensiuni devin biointeractive cu obiecte biologice de dimensiuni comparabile.

Antagonismul dintre nanotehnologie sinanotoxicologie

• Recunoasterea efectului dimensiunii si formei nanostructurilor esentiala pentru intelegerea si dezvoltarea aplicatiilor biomedicale ale nanotehnologiei.

• Functii inalte insotite de producerea riscului induc antagonism intre nanotehnologie si

nanotoxicologie.• Din punct de vedere al bioreactivitatii sunt diferite capete ale sistemului de evaluare

pentru fiintele umane respectiv merite si nemerite, desi ele deriva din acelasi mecanism.

• Este necesara deci o analiza de risc care sa se bazeze pe un set de teste de biocompatibilitate

Analiza riscului • Riscul potential al nanobiomaterialelor este legat de expunerea tesuturilor umane

la miscarea nanoparticulelor in perioada :• elaborarii lor ( pe ruta pulmonara, dermica, oral sau ocular); • – dupa implantare nano-particulele (eliberarea medicament , dendrimeri) ori

biomateriale constand din nanoparticule , prin produsi de degradare solubili sau insolubili,

• Caracterizarea fizico chimica a nanobiomaterialelor• – Dimensiunea si distributia dimensiunii• – Structura cristalina • Compozitia chimica• Energia de suprafata• Biodegradare in vitro• (ISO 10993)• – In vitro adsorbtie de proteine• Teste generale de biocompatibilitate

Evolutia descoperirii biomaterialelor in functie de proprietatile ECM

(Partea extracelulara a unui tesut animal, suport pentru celule, functii importante de comunicare celula-celula, celula mediu. Contine proteoglicani, polizaharide non-proteoglicani, fibre (colagen, elastina), alte

proteine (fibronectina, )

• Prima generatie – materiale bulk, ca Ti, Dacron si poli-etilena

– durabile si bune proprietati mecanice– bioinerte si nedegradabile

A doua generatie – modificate biochimic sau chimic pentru a dobandi proprietati biologice adecvate

– permite adsorbtia proteinelor ECM pe suprafata biomaterialului

– reactii de schimb ionic a sticlei bioactive, dizolvarea si reorganizarea fosfatului de calcxiu amorf si degradarea hidrolitica a poli-uretanilor si poli-esterilor.

A treia generatie – incorporarea de secvente biomimetice (peptide) pentru interactia cu proteine tinta (receptori de adeziune) si pentru a dezvolta raspunsuri celulare specifice

Coexistenta biomaterial –tesut gazda

• Modul in care biomaterialul si un tesut gazda isi accepta mutual coexistenta a fundamentat notiunea de biocompatibilitate.

• Exista numeroase cai prin care aceasta coexistenta este compromisa si performanta biomaterialului intr-un dispozitiv conduce la intelegerea fenomenului de biocompatibiliate.

• D.F. Williams a formulat aprecieri diferite pentru biocompatibilitate in functie de durata de viata a implantului si a conchis ca pentru contactul pe termen lung singura cerinta pentru biocompatibilitate este ca materialul sa nu agreseze tesutul. Rareori in aceste aplicatii introducerea activitatii biologice intr-un biomaterial este sinonima cu succesul clinic.

• Aceasta activitate devine importanta pentru utilizarea biomaterialelor in inginerie tisulara, medicamente cu eliberare controlata sisteme si aplicatii in biotehnologie unde interactiile intre biomateriale si componentele tesutului sunt necesare.

• Cu aceasta abordare s-a dezvoltat o noua paradigma pentru conceptul de biocompatibilitate.

Biocompatibilitate

• Biocompatibilitatea ca o necesitate a biomaterialului si scurt istoric

• Conceptul de biocompatibilitate Biocompatibilitate (definitii)

Comentarii asupra definitiilor ( D.F. Williams 2003 Articol “Revisiting the biocompatibility definition“, si 2008 ON the mechanism of biocompatibility)

Biocompatibilitate pe termen scurt, mediu si lung.

Ce valideaza biocompatibilitatea ?

• In prezent cercetarile de biocompatibilitate valideaza:• Noi materiale descoperite,• Noi dispozitive medicale,• Noi terapii prin inginerie tisulara

si permit lansarea pe piata a tuturor produselor care intra incontact cu corpul reprezentand un aspect important alpoliticilor de sanatate publica.

Pentru ca un dispozitiv/material sa fie considerat biocompatibil, reactiile adverse de la interfata tesut/material sau sange/material trebuie sa fie minime, iar rezistenta la biodegenerare sa fie mare

sa nu induca formarea trombosului

sa nu distruga celulele sangvine sa nu conduca la reactii alergice

sa nu produca reactii imune adverse

Biocompatibilitate

• 1. Capacitatea unui material de a îndeplini în timp, într-o aplicaţie particulară, un rol cât mai apropiat de cel al părţii înlocuite – definiţie dată de D.F. Williams în 1999.

• 2. Calitatea unui material de a nu prezenta efecte toxice asupra sistemelor biologice – Dicţionarul medical Dorland

• 3. Comparând răspunsul ţesutului produs la aşezarea materialului de implant în locul gazdă cu răspunsul ţesutului animal gazdă se stabileşte dacă materialul ales ca şi candidat pentru implant are proprietăţi corespunzătoare – ASTM.

• Aceste definiţii au fost îndelung comentate, aşa cum este şi cazul definiţiei date de Williams în 1999. Această definiţie a fost revizuită în 2003 în “Medical Device Technology’’ şi discutată în cadrul conferinţei de la Sorento în 2005 ‘’The European Society of Biomaterials Consensus Conference’’ .

Biocompatibilitate

• 4. Abilitatea unui biomaterial de a indeplini functia dorita cu respectarea terapiei medicale si fara a excita orice efect local sau sistemic nedorit in raport cu aceasta terapie , dar generand raspunsul celular (sau al tesutului ) cel mai benefic pentru o situatie anume si care optimizeaza clinic relevanta performantei acestei terapii.

• 5. Biocompatibilitatea este capacitatea unei proteze implantata in corp sa existe in armonie cu tesutul fara a cauza modificari nesanatoase"

Biocompatibilitatea pe termen lung, scurt si mediu.

• Biocompatibilitatea pe termen lung a dispozitivelor implantabile pentru multtimp = capacitatea unui dispozitiv de a realiza o functie particulara,cu un gradde incorporare in organismul gazda,fara a dezvolta efecte nedorite,locale sausistemice,in gazda.

• Biocompatibilitatea pe termen scurt a dispozitivelor implantabile, plasate insistemul cardiovascular pentru diagnostic tranzitoriu sau in scopuriterapeutice ,pentru a realiza o anumita functie in fluxul sangvin, stabilindinteractii minime cu sangele, fara a dezvolta reactii adverse.

• Biocompatibilitatea unui scaffold sau a unei matrice utilizabile in ingineriatisulara–capacitatea de a functiona ca un substrat ce permite o activitatecelulara adecvata, functionarea sistemelor de semnalizare importante inregenerarea tisulara, fara dezvoltarea unor efecte nedorite pentru viatacelulelor sau a unor raspunsuri nedorite,locale sau sistemice.

Evaluarea biocompatibilitatii

• Evaluarea biocompatibilitatii se realizeaza conform directivelorISO10993: “Medical Device Biocompatibility Testing“, care

cuprinde modalitati de testare prin tehnici de chimie analitica,studii in vitro si peanimale model.

- ISO10993: tine cont de :natura chimica si fizica a materialelor componente, tipulde tesut cu care dispozitivul intra in contact si durata expunerii

• Metodele de testare incluse in ISO10993, realizate conform GLP (Good LaboratoryPractice) sunt acceptate in Europa si Asia.In 1995,FDA (USA Food and DrugAdministration) a adoptat in principiu directivele ISO. Documentul Japonez“ TestMethods for Biological Safety Evaluation of Medical Devices, Assessment of MedicalDevice,Notice36 a recunoscut numai partial ISO10993.

Efecte biologice

ISO10993 –Evaluare biologica a dispozitivelor medicale• Evaluation and Testing• 2 Animal Welfare Requirements• 3 Tests for Genotoxicty, Carcinogenicity, and Reproductive Toxicity• 4 Selection of Tests for Interactions with Blood• 5 Tests for Cytotoxicity –In Vitro Methods• 6 Tests for Local Effects after Implantation• 7 Ethylene Oxide Sterilization Residuals• 8 Selection and Qualification of Reference Materials for Biological Test• 9 Framework for Identification & Quantification of Potential Degradation Products• 10 Test for Irritation and Sensitization• 11 Test for Systemic Toxicity• 12 Sample Preparation and Reference Materials• 13 Identification and Quantification of Degradation Products from Polymers• 14 Identification and Quantification of Degradation Products from Ceramics• 15 Identification and Quantification of Degradation Products from Coated and Uncoated Metals and

Alloys• 16 Toxicokinetic Study Design for Degradation Products and Leachables• 17 Establishment of Allowable Limits for Leachable Substances• 18 Chemical Characterization of Materials*• 19 Physicochemical, Mechanical and Morphological Characterization • 20 Principles and Methods for Immunotoxicology Testing of Medical Devices

O reprezentarea ierarhica a testarii biocompatibilitatii.

Testele de biocompatibilitate recomandate ISO depind de timpul de contact cu structura vie

• material Timp contact• ac seringa 1-2 secc• ce preseaza limba 10 sec• lentila de contact 12 ore –30 zile• tije/surub os 3-12 luni• inlocuire totala sold 10-15 luni• cristalin intraocular 30 ani

Iritarea pielii.

Implantarea

• Standardul ISO 10993-10 prezintă teste de iritare a pielii pentru o singură expunere sau expuneri cumulative la dispozitiv. Speciile animale preferate sunt iepurii albi (albino), cu o înaltă sensibilitate la lumină.

• Testele de iritare a pielii sunt realizate pe extracte obţinute cu solvenţi polari şi nepolari sau cu dispozitivul însuşi.În testul cu o singură expunere, iepurii sunt trataţi numai câteva ore, în timp ce în testul cumulativ acelaşi procedeu este repetat câteva zile. Toate extractele şi agenţii extractanţi sunt aplicaţi pe situsuri intacte pe piele. Reacţia pielii este văzută ca înroşire sau umflare şi este gradată conform unui sistem de clasificare specific.

• Implantarea. Testele de implantare sunt destinate evaluării efectelor localizate produse de un dispozitiv care urmează a fi introdus în corpul uman. Testele încearcă să imite condiţiile în care există materialul implantat.

Reactivitatea intracutanată si Toxicitatea sistemică acută

• Reactivitatea intracutanată. Acest test este destinat evaluării reacţiei localizate a ţesutului la substanţele solubilizate. Testul trebuie luat în considerare pentru aproape toate categoriile de dispozitive. Extracte cu solvenţi polari şi nepolari sunt administrate ca reacţii intracutanate la iepuri. O reactivitate crescută include înroşirea sau umflarea.

• Toxicitatea sistemică acută. Acest test reprezintă efectele adverse care apar la scurt timp după administrarea unei singure doze dintr-o substanţă. Testul ISO 10993-1 trebuie utilizat la toate categoriile de dispozitive care intră în contact cu sângele. In acest test, extracte din dispozitivele medicale sunt administrate intravenos sau intraperitoneal la iepuri sau şoareci.

Incercari de biocompatibilitate in vitro

• - Cytotoxicitate : viabilitate celulara , Prin testele de citotoxicitate in vitrose apreciazǎ capacitatea potenţială a unui dispozitiv de a induce efecte subletale sau letale la nivel celular apoptoza vs necroza – ISO 10993-5

• - Genotoxicitate – ISO 10993-3. Testele de toxicologie genetică sunt utilizate pentru a investiga materialele privitor la posibile efecte mutagenice –(leziuni la nivelul genelor sau cromozomilor organismului. Sunt realizate atât in vitro cât şi in vivo. Acest test se aplică tuturor dispozitivelor care intră în contact permanent (>30 zile) cu corpul, cu excepţia dispozitivelor superficiale aplicate pe piele.

• Ames test ( Testul mutatiei reverse la bacterii evalueaza proprietatile mutagene. (Bacterial reverses mutation) – OECD 471

• – Carcinogenicitate folosind teste de transformari celulare detectareadezvoltarii unor leziuni neoplazice (inducţia de tumori) în timpul sau după expunerea la diferite doze din substanţa de testat.

Hemocompatibilitate - ISO 10993-4

• –Acest test arată posibile modificări negative la nivelul sângelui cauzate direct de dispozitivul medical sau de substanţe chimice eliberate din el. Aceste efecte negative sunt: hemoliza, formarea trombusului, alterări în parametrii coagulării şi modificări imunologice.

• problema coagulării sângelui în prezenţa corpurilor străine şi riscurilor de tromboză legate de această coagulare,

• răspunsului sistemului imunitară (anticorpi, etc.) şi cel al reacţiei celulelor şi ţesuturilor, în mod special al limfocitelor şi leucocitelor prezente în sânge.

• Modificari cromozomice in limfocite umane– OECD 473

Incercari de biocompatibilitate in vivo (OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 4: Health Effects)

• – Toxicitate orala acuta (OECD 423)• – Inhalari toxice acute (OECD 403) (biochimie,• hematologie, histopatologiela organele principale)• – Iritatii dermice acute / /coroziune (OECD 404)• – Iritatii oculare acute / coroziune (OECD 405)• – sensibilizarea pielii (OECD 406)

Este biocompatibilitatea controlata de trasaturi topografice la nanoscala ?

• Argumente: • Structura nano cum ar fi nanotubul mareste suprafata reala disponibila pentru,

crestere aderare si proliferarea celulara si in acest fel influenteaza direct biocompatibilitatea

• interactiile dintre celule si suprafata biomaterialului sunt mediate de molecule si de membrana celulara si de raspunsul citoplasmatic care reprezinta procese care au loc la dimensiuni foarte mici Comportamntul celulelor la interfata cu biomaterialul va fi deci influentat de nanotopografie

• Comportamntul celulelor la interfata cu biomaterialul va fi influentat si de metoda de sterlizare (poate afecta topografia)

Metode de sterlizare• Sterlizare cu alcool 24 ore

• Autoclave (Aburi):Temperaturi mari (121 –134°C)Comun sterilizarea se realizeaza prin autoclavari repetateTehnica ieftina

•Oxid de etilena:Temperaturi scazute (pentru materiale termo-sensibile ca UHMWPE Ultra-high-molecular-weight polyethylene)Gazul rezidual poate persistaImpact asupra mediului si hazard profesional

• Radiatii gamma:• Foarte eficacePoate induce oxidarea si inretelarea polimerilor

De ce biocompatibilitatea este dinamica ?

• Un implant care astazi este osseointegrat, s-ar putea ca maine sa nu mai fie • Tesutul gazda poate suferi imbatranire sau imbolnavire• Materialul implantabil poate sa sufere schimbari datorate fenomenelor de oboseala

coroziune si uzura.

• Biocompatibilitatea nu este masurabila la modul absolut evaluarea fiind relativa caci se poate compara biocompatibilitatea unui material cu a unui material de referinta in conditii experimentale standard.

Factori care afecteaza biocompatibilitatea implanturilor.

• Chimia suprafetei• Topografia suprafetei• Procesele de adsorbtie la suprafata• Balanta hidrofil/hidrofob • Eliberarea de ioni • Interactii chimice la biointerfata• Produsii de degradare.

BiocompatibilitateBiocompatibilitate

Biodegradare

Sterilitate si operatie

Reactia chimicaLa implant

Reactia biologicaLa implant

Toxicitate

Design

Sistemul de parametri” de care depinde biocompatibilitatea

Ø prima interfata intre biomaterial / tesut

Ø cel mai important factor pentru succesul implantului

Conditii dinamice din mediul biologic ⇒ schimbarecontinua a biosuprafetei - la fiecare pas, materialul este condiţionatde componentele fluidelor biologice.

Biosuprafaţa determinanta in Biosuprafaţa determinanta in evaluarea bioperformanteievaluarea bioperformantei

¿¿ Aria suprafeteiAria suprafetei - determină spaţiul valabil pentru celulele care vor adera

integrare tesut arie cat mai mare cresterea porozitatiiintegrare tesut arie cat mai mare cresterea porozitatii(in limita in care rezistenta materialului permite)

¿¿ Udarea biomaterialuluiUdarea biomaterialului

-- suprafata hidrofilasuprafata hidrofila -- benefică pentru majoritatea biomaterialelor;

-- încurajeaza formarea unui film stabil fluid pe material care va descuraja aderarea bulelor de gaz şi a bacteriilor, dăunătoare vieţii implantului

-- unghi de contact mic

-- suprafata hidofoba suprafata hidofoba -- face ca picătura de apă să ude suprafaţa pe o porţiune cât mai mică, deci unghiul de contact să fie maxim

¿¿ CristalinitateaCristalinitatea - poate determina un răspuns specific la proprietăţilemecanice si termice; poate stimula activitatea celulelor

Parametrii biosuprafeteiParametrii biosuprafetei

Nanobiomateriale; biocompatibilitate • Cyto- si genotoxicitatea particulelor ultrafine TiO2• Lymfoblaste cells Wang JJ, Sanderson BJ, Wang H.Mutat

Res. 2007

• UF-TiO2 pot induce cititoxicitate si genotoxicitate in culturi de celule umane

• Apoptoza, inhibitie celularatestele depind de doza UF-TiO2 si de dimensiuni ( dela 20-250nm)

• La fel si nanoparticulele de Au• GNPs se considera ca pot detecta cancerul, chiar in absenta

functionalizarii, induc raspuns celular specific.

Nanoparticole de Au (GNPs)• GNP-induc moarte celulara in carcinom uman linie A549. In

contrast, alte 2 linii celulare testate the two other cell lines tested, BHK21 (baby hamster rinichi ) si HepG2 (hepatocelule liver carcinoma), raman neafectate prin tratare GNP

• Aceasta inseamna ca raspunsul prin moarte celulara nu este universal la atac GNPs

• Studii Flow-cytometrice studies indica ca raspunsul este functie de doza de GNP si la concentratii mari se induce clivarea poly(ADP-ribose) polymerasei. Acest mecanism de actiune a fost confirmat prin microscopie confocala.

• Studiile au fost facute cu GNP cuprinse intre 5-25nm

Nanobiomaterial : un biomaterial compus din componente la scala nano

• Studii In vitro pentru nanobiomateriale Biocompatibilitate

• Celulele in corp sunt predispuse sa a interactioneze cu suprafete nanostructurate dezvoltand biomimetism.

• Proliferarea migrarea si matricea extracelulara produsa de celule in timpul repararii tesutului sunt procese dependente de adsorbtia de proteine.

• Caracteristicile adsorbtiei de proteine sunt in schimb dependente de caracteristicile de suprafata ale materialelor implantabile

• Integrinele sunt receptori transmembranari care interactiioneaza cu stratul de proteine adsorbit pe scafold . Aceste interactii sunt guvernate de evenimentele moleculare la scala nano.

• Nanobiomaterialele au un numar crescut de atomi la suprafata si poseda un raport suprafata la volum fata de materialele conventionale.