MATERIALE CERAMICE COMPOZITE BIOCOMPATIBILE

Orice material sintetic ce urmeaza sa fie implantat în corp trebuie sa fie biocompatibil, sa nu produca nici o reactie inflamatorie. Conform definitiei unanim acceptate elanborata de Williams în 1987, un material cu biocompatibilitate optima este acela ce nu determina nici o reactie adversa a tesutului. Materialul respectiv trebuie sa reziste tensiunilor fiziologice de orice fel fara sa sufere modificari dimensionale. Implanturile trebuie deci sa reziste oricarui atac degradativ sau coroziv din partea fluidelor fiziologice. Materialele trebuie sa fie usor de fasonat, rezistente la forte, sa nu altereze compozitia electrolitica a plasmei sau tesuturilor, sa nu cedeze la coroziunea electrochimica, sa nu interfereze cu mecanismul de aparare a corpului, sa nu formeze celule cancerigene, sa nu determine traume a sângelui, coagularea sau denaturarea proteinelor sanguine.

Materialul introdus în corp poate fi influen& 555g62f #355;at de mediul fiziologic si la rândul sau poate influenta fluidele si tesuturile înconjuratoare. În aceste conditii materialele pot suferi diferite deteriorari fizice sau chimice. Se poate face distinctia între cercetarea medicala aplicata sau clinica, în care medicii practicanti din spitale sunt implicati (dezvoltarea si punerea în practica a protezelor, organelor artificiale, etc.), si studii fundamentale a biocompatibilitatii materialelor, care sunt rezultatul unor echipe mult mai specializate.

Din punct de vedere al materialelor temele de studiu sunt urmatoarele:

studiul reactiilor induse la nivelul interfetei sistemului viu-material. Ce urmaresc modificarile materialului si reactiile organismului;

crearea de materiale care poseda un cuplu de proprietati biofunctionale/biocompatibilitate mai bun.

Chirurgia cardio-vasculara si cea ortopedica sunt doua exemple particulare. Domeniul cardio-vascular ridica problema hemocompatibilitatii, ce se refera la coagularea sângelui în prezenta corpurilor straine si la riscul trombozei. Studiul hemocompatibilitatii include si cercetarea raspunsului sistemului autoimun, al reactiilor celulare mai ales ale limfocitelor si leucocitelor.

În chirurgia ortopedica sunt 3 domenii de cercetare :

studii la interfata os/biomaterial, fie in vitro (biocompatibilitate la interfata osteoblaste/material, studiul modificarilor de stare de suprafata a materialului, biointegrarea si fiziopatologia celulelor osoase în material), fie in vivo (studiul aderarii biomaterialului la os, caracteristicile vâscoelastice ale tesutului în contact cu materialul, ale membranei fibroase care se creeaza în jurul biomaterialelor, etc);

biomecanica celulara, în special studiul reactiilor celulelor endoteliale la forte de forfecare si reactiile celulelor osoase la forte controlate hidrodinamic sau de forfecare, modelarea reactiilor tinând cont de deformarea citoscheletului sau studiul biologiei inflamatiei în prezenta biomaterialelor;

dezvoltarea de materiale noi: polimeri functionali ce poseda grupuri susceptibile de a interactiona cu osteoblastele si/sau fibroblastele

Cercetarea materialelor biocompatibile trebuie sa se limiteze la un numar de obiective generale ca:

Problemele de adeziune si proprietatile mecanice ale materialelor biocompatibile

Performantele functionale pe termen lung

Ceramiciele sunt folosite larg în stomatologie dar si în aplicatiile de inginerie a tesutului osos. Pentru aplicatii dentare si proteze de sold se folosesc frecevnt alumina si apatita.

Alumina (Al₂O₃) este rezistenta la coroziune, o biocompatibilitate buna, rezistenta înalta, precum si o buna rezistenta la uzura.

Hidroxiapatita (HAp) este o ceramica pe baza de fosfat de calciu, folosita de peste 20 de ani în medicina si stomatologie. Hidroxiapatita preparata comercial este biocompatibila, iar biodegradabilitatea este absenta sau limitata Degradarea hidroxiapatitei poate fi controlata prin variatia structurii chimice. Fosfatul tricalcic se degradeaza mult mai repede decât hidroxiapatita.

Actualmente sulfatul de calciu cunoscut sub numele de Osteoset (Wright Medical Corporation) este produs pentru aplicatii ortopedice pentru regiuni care nu sunt supuse fortelor mari, ca platoul tibial. Tablete de Osteoset au dimensiunea aspirinei si se pot utiliza în scheletul craniofacial, pentru a umple goluri din os. O combinatia de sulfat de calciu si fosfat tricalcic (Hapset) a fost creata pentru aplicatii stomatologice; totusi, gaurile ramase în urma extractiilor se refac în mod neuniform, iar includerea unui material strain este incerta. Dintre dezavantajele ceramicilor pe baza de calciu este rezistenta mecanica redusa a acestor materiale poroase.

S-a efectuat un studiu pentru a se obtine un biomaterial ceramic compozit care sa îmbine proprietatile mecanice ale aluminei cu biocompatibilitatea hidroxiapatitei. Pentru aceasta s-au preparat amestecuri cu compozitii diferite de hidroxiapatita si alumina. Alumina în procente diferite ofera rezistenta mecanica buna care, corelata cu compatibilitatea hidroxiapatitei duce la realizarea unui biocompozit utilizabil în medicina. S-au folosit 3 amestecuri (tabel 1).

Tabel 1 Compozitia amestecurilor

Pentru obtinerea hidroxiapatitei se amesteca solutii de Ca(NO₃)₂ si (NH₄)₂HPO₄ în prezenta de NH₄OH pâna la pH cuprins între valorile 8÷10. Amestecul se sintetizeaza la 100⁰C timp de 24h. Precipitatul astfel obtinut se spala cu apa distilata, se introduce în etuva, la temperatura de 120^OC timp de 30h, în vederea uscarii. S-a ales temperatura de sinterizare a pulberii la 900⁰C, timp de 3 ore cu racire lenta. Dupa tratamentul termic, hidroxiapatita a fost caracterizata din punct de vedere al compozitiei fazale (difractie de raze X) al distributiei granulometrice precum si al microstructurii (microscopie electronica cu baleiaj SEM). Analiza termica a pulberii obtinuta prin uscare la 120⁰C timp de 30 ore evidentiaza efecte endoterme ce însotesc pierderea apei prin evaporare si deshidratarea. Analiza termica evidentieaza o succesiune de efecte endotermice datorate evaporarii apei, deshidratarii si descompunerii fazelor de masa de ~ 34%. Studiul compozitiei fazale s-a realizat cu un difractometru de raze X de tip HZG - 4A, dotat cu goniometru orizontal în geometrie Bragg - Bretano în 2θ. S-a utilizat un generator de raze X CuKα, la o tensiune de 40 kV si un curent de 30 mA. Studiul difractogramei probei analizate poate spune ca faza de echilibru obtinuta este HAp. La pulberea de hidroxiapatita obtinuta în urma tratamentului termic la 900⁰C s-a studiat distributia granulometrica. Suprafata specifica determinata este de 4,51 m²/cm³, iar granulele sunt repartizate în doua grupuri functie de dimensiuni.

Distributia granulometrica înregistrata pe proba de HAp sinterizata din (NH₄)₂HPO₄ si Ca(NO₃)₂, tratata termic la 900^oC pune în evidenta trei fractiuni corespunzatoare intervalelor dimensionale :

0,1 - 5 μm (cu ponderi de 10 - 60%),

10 - 20 μm cu o pondere redusa de 0 - 5%

o fractiune de 50 - 100 μm.

Proba este studiata cu ajutorul microscopului electronic cu baleiaj Philips 515 echipat cu un sistem de analiza dispersiv în energie EDS si dispersiv în lungime de unda WDX. Înaintea examinarii, proba a fost acoperita cu un strat de argint, într-o incinta vidata, pentru a îi conferi conductibilitate electrica. Microscopia electronica pune în evidenta aglomerari cristaline cu interconectare. S-a efectuat si un studiu de compozitie prin EDS pentru masurarea raportului Ca/P. Rezultatul acestui studiu (41,72% gr. P si 67,28% gr. Ca) arata o hidroxiapatita substoechiometrica în calciu.

Alumina a fost sintetizata pornind de la AlCl₃*6H₂O din care s-a precipitat oxidul în prezenta de hidroxid de amoniu la pH=10 - 12. Precipitatul obtinut este uscat în etuva la 120⁰C timp de 5h, obtinându-se o pulbere alba, pe care se efectueaza analize termice. Se alege temperatura de calcinare de 550⁰C timp de o ora, produsul de calcinare a fost evaluat prin difractie de raze X, ca fiind - alumina. Analiza termogravimetrica realizata pe pulberea obtinuta dupa uscarea la 120⁰C timp de 5h, pune în evidenta efectele endoterme ce însotesc procesul de pierdere a apei prin evaporare si prin deshidratare.

Datele difractometrice evidentiaza initierea procesului de cristalizare, alumina aflându-se într-o etapa incipienta a acestui proces. Pe pulberea de alumina tratata termic la 550⁰C timp de 1h, s-a efectuat studiul distributiei granulometrice. Suprafata specifica determinata prin aceasta metoda este de 6,29 m²/cm³. Analiza granulometrica pe pulberea de alumina arata doua fractiuni distincte cu dimensiuni ale granulelor în intervale cuprinse între 0,1 - 4 μm, si respectiv între 50 si 500 μm.

Pentru a se obtine materialul compozit pe baza de hidroxiapatita si alumina s-a pornit de la trei amestecuri ale caror compozitii sunt prezentate în tabelul 2.

Tabel 2 Proportiile elementelor constitutive ale probelor M1, M2 si M3 la 1100⁰C timp de 3h.

Dupa tratamentul termic, probele au fost caracterizate din punct de vedere al:

compozitiei fazale prin difractie de raze X

al proprietatilor ceramice (prin densitate aparenta, absorbtia apei si porozitate)

al microstructurii (prin microscopie electronica cu baleiaj - SEM)

al proprietatilor mecanice (la compresiune)

al stabilitatii chimice (prin masurarea evolutiei valorilor pH - ului solutiei de ser fiziologic).

Difractogramele rezultate în studiu au demonstrat ca fazele principale existente dupa atingerea starii de echilibru sunt hidroxiapatita si alumina într-o proportie similara compozitiei amestecurilor prezentata în tabelul 1, dar apar si doi fosfati de calciu slab cristalizati. S-au determinat si determinate proprietatile ceramice: densitatea aparenta, absorbtia si porozitatea aparenta. Toate compozitiile si tratamentele termice considerate au fost supuse la trei masuratori pe câte trei epruvete, luându-se în considerare media celor trei valori.

Analizând datele obtinute pentru densitatea aparenta se poate concluziona ca:

valoarea înregistrata creste odata cu cresterea temperaturii datorita procesului de sinterizare, care se intensifica la temperaturi mai înalte;

densitatea aparenta este determinata atât de densitatile de procesare cât si de raportul constituentilor

Porozitatea aparenta este o reflectare a gradului de sinterizare. Valorile cele mai ridicate s-au obtinut pe probele tratate la 1000^oC. Valorile scad cu cresterea temperaturii de tratament termic. Cele mai reduse porozitati se obtin pentru probele tratate la 1200^oC cu o valoare minima centrata pe proba M2 cu 30% Al₂O₃. Aceasta sugereaza un raport optim HAp/Al₂O₃ pentru realizarea unei sinterizari mai avantajoase.

Microscopia electronica pe probele M1, M2 si M3 tratate termic la 1100^oC cu palier de 3h evidentieaza o microstructura cu grade diferite de agregare, see evidentieaza cristalele de Al₂O₃, de HAp si pori intergranulari.

Caracteristicile mecanice s-au caracterizat prin masurarea rezistentei la compresiune, observându-se influenta temperaturii de sinterizare si a proportiei de alumina din compus prin înregistrarea unor rezistente mai mari la compozitiile cu procent de alumina crescut 30-40% si temperatura crescuta de sinterizare (1100⁰C si 1200⁰ ).

Stabilitatea chimica s-a evaluat prin masurarea variatiei pH-ului unei solutii de ser fiziologic, dupa introducerea unei probe de material sinterizat (concentratia suspensiei fiind de 1:25). Masurarea pH-ului se realizeaza cu ajutorul unui pH-metru electronic cu electrod cu senzor de temperatura integrat. Evolutia pH-ului se urmareste pentru probele M1, M2 si M3 tratate termic la 1100⁰C si 1200⁰C, cu palier de o ora si 3 ore. Datele obtinute pun în evidenta valori ale pH-ului stabile dupa 30 ore la valori cuprinse în intervalul 6,8 - 7,4.

Se efectueaza testarea biologica in vitro. Pentru probele M1 si M3 tratate la 1200⁰C - 3h, se efectueaza studii utilizându-se cianobacterii (celule Synechocystis PCC 6803). Celulele au fost depuse pe probele ceramice, iar apoi întreg sistemul a fost supus agitarii, la 32⁰C, în lumina continua. Concentratia de clorofila extrasa din suspensie, prezentata în tabelul 3 arata ca cele doua materiale nu au avut efect toxic asupra celulelor.

Tabel 3 - Studiu in vitro pe probele M1 si M3

Studiul a urmarit realizarea unui material compozit pe baza de hidroxiapatita si alumina, cu aplicatii în implantologie. Alumina adaugata în diferite procente ofera biomaterialului o rezistenta mecanica buna, si datorita compatibilitatii ridicate a hidroxiapatitei, duce la obtinerea unui biocompozit utilizabil pe scara larga în implantologie.Biomaterialele compozite studiate pot fi folosite ca biomateriale, dar nu înainte de a se face un studiu mai amanuntit asupra caracteristicilor de biocompatibilitate. .

Bibliografie

1. Ravaglioli A. Krajewski A, IRTEC - CNR, Faenza: Bioceramics, Materials, Properties, Applications, 1995;

2. Ravaglioli A, Krajewski A, Dondi M, Piancastelli A, Ercolani P, Tarlazzi S, Fanti L: Chemical properties of various hydroxyapatite powders for industrial production. Ceramics International, 1994;

3. Aoki H: Science and Medical Applications of Hydroxyapatite. Ishiyaku Euro America. Inc Tokyo, St. Louis, 1994;

4. Âlósarczyk A: Hydroxyapatite toothpaste. Intercream, 1991;

5. L.L.Hhenrich: Ceramics in Substituitve and Reconstructive Surgery, Ed. P.Vincezini, Elsevier, 1991