Úpravy povrchu biomateriálu - Biomaterial Surface Modifications

Biomateriály vykazují různé stupně kompatibility s drsným prostředím v živém organismu. Musí být nereaktivní chemicky a fyzicky s tělem a také se integrovat při ukládání do tkáně.[1] Rozsah kompatibility se liší podle aplikace a požadovaného materiálu. K maximalizaci výkonu jsou často nutné úpravy povrchu biomateriálového systému. Povrch lze upravit mnoha způsoby, včetně plazmové modifikace a nanášení povlaků na podklad. Lze použít úpravy povrchu povrchová energie, přilnavost, biokompatibilita, chemická inertnost, mazivost, sterilita, asepse, trombogenita, náchylnost k koroze degradace a hydrofilnost.

Pozadí polymerních biomateriálů

Polytetrafluorethylen (teflon)

Teflon je hydrofobní polymer složený z uhlíkového řetězce nasyceného atomy fluoru. Vazba fluor-uhlík je převážně iontová a vytváří silný dipól. Dipól zabraňuje náchylnosti teflonu Van der Waalsovy síly, takže jiné materiály se nelepí na povrch.[2] Teflon se běžně používá ke snížení tření v aplikacích biomateriálů, jako jsou arteriální štěpy, katétry a povlaky vodicích drátů.

Polyetheretherketon (PEEK)

Polyetheretherketon (PEEK) je termoplastický, semikrystalický polymer. Páteř se skládá z etherových, ketonových a benzenových skupin

PEEK je semikrystalický polymer složený z benzenových, ketonových a etherových skupin. PEEK je známý tím, že má dobré fyzikální vlastnosti včetně vysoké odolnosti proti opotřebení a nízké absorpce vlhkosti [3] a byl používán pro biomedicínské implantáty kvůli jeho relativní inertnosti uvnitř lidského těla.

Plazmová modifikace biomateriálů

Plazmová modifikace je jedním ze způsobů, jak změnit povrch biomateriálů a zlepšit tak jejich vlastnosti. Během technik plazmové modifikace je povrch vystaven vysokým hladinám excitovaných plynů, které mění povrch materiálu. Plazmy se obvykle generují pomocí a vysokofrekvenční (RF) pole. Mezi další metody patří použití velkého (~ 1 kV) stejnosměrného napětí na elektrody pohlcené plynem. Plazma se poté použije k vystavení povrchu biomateriálu, který může prasknout nebo vytvořit chemické vazby. To je výsledek fyzikálních srážek nebo chemických reakcí excitovaných molekul plynu s povrchem. Tím se mění povrchová chemie, a proto povrchová energie materiálu, která ovlivňuje adhezi, biokompatibilitu, chemickou inertnost, mazivost a sterilizaci materiálu. Tabulka níže ukazuje několik biomateriálových aplikací plazmatických úprav.[4]

Aplikace plazmových ošetřeníZařízeníMateriályÚčely
BiosenzorMembrány senzorů, diagnostické biosenzoryPC, celulóza, kuprofan, PP, PSImobilizace biomolekul, neznečištěné povrchy
KardiovaskulárníCévní štěpy, katétryPET, PTFE, PE, SiRVylepšená biokompatibilita, přizpůsobení smáčivosti, mazací povlaky, snížené tření, antimikrobiální povlaky
ZubníZubní implantátySlitiny TiZvýšený růst buněk
OrtopedickéKlouby, vazyUHMWPE, PETZlepšit přilnavost kostí, Zvýšený růst tkáně
OstatníObecné použitíPříkladSterilizace, čištění povrchů, leptání, podpora adheze, přizpůsobení mazivosti

Zkratky použité v tabulce: PC: polykarbonát, PS: polystyren, PP: polypropylen, PET: poly (ethylentereftalát), PTFE: polytetrafluorethylen, UHMWPE: ultra vysokomolekulární PE, SiR: silikonový kaučuk

Povrchová energie

The povrchová energie se rovná součtu narušených molekulárních vazeb, ke kterým dochází na rozhraní mezi dvěma různými fázemi. Povrchovou energii lze odhadnout pomocí kontaktní úhel měření pomocí verze Young – Laplaceova rovnice:

[5]

Kde je povrchové napětí na rozhraní pevných látek a par, je povrchové napětí na rozhraní pevných a kapalných látek a je povrchové napětí na rozhraní kapaliny a páry. Techniky plazmové modifikace mění povrch materiálu a následně povrchovou energii. Změny povrchové energie pak mění povrchové vlastnosti materiálu.

Funkcionalizace povrchu

Úpravy povrchu byly rozsáhle prozkoumány techniky pro aplikaci adsorpčních biologických molekul. Funkcionalizaci povrchu lze provést vystavením povrchů vysokofrekvenční plazmě. Mnoho plynů může být vzrušeno a použito k funkcionalizaci povrchů pro širokou škálu aplikací. Běžné techniky zahrnují použití vzduchové plazmy, kyslíkové plazmy a amoniakové plazmy, jakož i jiných exotických plynů. Každý plyn může mít na substrát různé účinky. Tyto účinky se časem rozpadají, protože dochází k reakcím s molekulami ve vzduchu a ke kontaminaci.

Argonová plazma používaná pro funkcionalizaci povrchu polymeru před vazbou.

Plazmatické ošetření ke snížení trombogeneze

Ošetření amoniakem v plazmě lze použít k připojení aminových funkčních skupin. Tyto funkční skupiny se zaměřují na antikoagulancia, jako je heparin, který snižuje trombogenicitu.[6]

Kovalentní imobilizace výbojem RF s plynovou plazmou

Polysacharidy byly použity jako tenký film povlaky na povrchy biomateriálů. Polysacharidy jsou extrémně hydrofilní a budou mít malé množství kontaktní úhly. Mohou být použity pro širokou škálu aplikací díky své široké škále složení. Mohou být použity ke snížení adsorpce bílkovin na povrchy biomateriálů. Kromě toho je lze použít jako receptorová místa zaměřená na specifické biomolekuly. To lze použít k aktivaci specifických biologických odpovědí.

K imobilizaci polysacharidů je nutné kovalentní připojení k substrátu, jinak se v biologickém prostředí rychle desorbují. To může být výzva vzhledem ke skutečnosti, že většina biomateriálů nemá povrchové vlastnosti kovalentně připojit polysacharidy. Toho lze dosáhnout zavedením aminové skupiny plazmou RF doutnavého výboje. Plyny používané k vytváření aminových skupin, včetně amoniaku nebo par n-heptylaminu, lze použít k nanášení tenkého filmového povlaku obsahujícího povrchové aminy. Polysacharidy musí být také aktivovány oxidací anhydroglukopyranosidových podjednotek. To lze doplnit metajodistanem sodným (NaIO4). Tato reakce převádí anhydroglukopyranosidové podjednotky na cyklické hemiacetalové struktury, které mohou reagovat s aminovými skupinami za vzniku Schiffovy bazické vazby (dvojná vazba uhlík-dusík). Tyto vazby jsou nestabilní a budou snadno distancovat. Kyanoborohydrid sodný (NaBH3CN) lze použít jako stabilizátor snížením vazeb zpět na amin.[7]

Čištění povrchu

Existuje mnoho příkladů kontaminace biomateriálů, které jsou specifické pro proces přípravy nebo výroby. Kromě toho jsou téměř všechny povrchy náchylné ke kontaminaci organickými nečistotami ve vzduchu. Kontaminační vrstvy jsou obvykle omezeny na monovrstvu nebo méně atomů a jsou proto detekovatelné pouze technikami povrchové analýzy, jako je XPS. Není známo, zda je tento druh kontaminace škodlivý, přesto se stále považuje za kontaminaci a zcela jistě ovlivní povrchové vlastnosti.

Ošetření plazmou žhavým výbojem je technika, která se používá k čištění kontaminace z povrchů biomateriálu. Plazmové ošetření bylo použito pro různé studie biologického hodnocení ke zvýšení povrchové energie povrchů biomateriálů a také k čištění.[8] Bylo také navrženo plazmatické ošetření sterilizace biomateriálů pro potenciální implantáty.[9]

Schéma čištění povrchu polymeru pomocí výboje plazmového záření. Všimněte si odstranění adsorbovaných molekul a přítomnosti visících vazeb.

Modifikace biomateriálů polymerními povlaky

Další metodou změny povrchových vlastností biomateriálů je potahování povrchu. Povlaky se používají v mnoha aplikacích ke zlepšení biokompatibility a změně vlastností, jako je adsorpce, mazivost, trombogenita, degradace a koroze.

Přilnavost nátěrů

Obecně platí, že čím nižší je povrchové napětí kapalného povlaku, tím snazší bude z něj vytvořit uspokojivý mokrý film. Rozdíl mezi povrchovým napětím povlaku a povrchovou energií pevného substrátu, na který se nanáší povlak, má vliv na to, jak kapalný povlak proudí přes substrát. Ovlivňuje také pevnost adhezního spojení mezi podkladem a suchým filmem. Pokud je například povrchové napětí povlaku vyšší než povrchové napětí podkladu, potom se povlak nerozšíří a nevytvoří film. Jak se zvyšuje povrchové napětí podkladu, dosáhne bodu, kde povlak úspěšně navlhčí podklad, ale má špatnou přilnavost. Neustálé zvyšování povrchového napětí povlaku bude mít za následek lepší smáčení při tvorbě filmu a lepší přilnavost suchého filmu.[10]

Přesněji, zda se kapalný povlak rozšíří po pevném podkladu, lze určit z povrchových energií použitých materiálů pomocí následující rovnice:

[11]

Kde S je koeficient šíření, je povrchová energie substrátu ve vzduchu, je povrchová energie kapalného povlaku na vzduchu a je mezipovrchová energie mezi povlakem a podkladem. Pokud je S pozitivní, kapalina pokryje povrch a povlak dobře přilne. Pokud je S negativní, povrchová vrstva zcela nezakryje povrch, což způsobí špatnou přilnavost.

Ochrana proti korozi

Organické povlaky jsou běžným způsobem, jak chránit kovový podklad před koroze. Až do ~ 1950 se předpokládalo, že povlaky působí jako fyzická bariéra, která neumožňuje vlhkosti a kyslíku kontaktovat kovový substrát a vytvářet korozní celek. To nemůže být tento případ, protože propustnost barevných filmů je velmi vysoká. Od té doby bylo zjištěno, že ochrana oceli proti korozi do značné míry závisí na adhezi nekorozivního povlaku v přítomnosti vody. S nízkou přilnavostí se osmotické buňky tvoří pod povrchem s dostatečně vysokými tlaky, aby vytvořily puchýře, které vystavují více nechráněné oceli. Byly také navrženy další neosmotické mechanismy. V obou případech je pro ochranu proti korozi vyžadována dostatečná přilnavost, aby odolávala posunovacím silám.[12]

Vodicí dráty

Vodicí dráty jsou příkladem aplikace pro biomedicínské povlaky. Naváděcí vodiče se používají v koronární angioplastika opravit účinky ischemická choroba srdeční onemocnění, které umožňuje hromadění plaku na stěnách tepen. Naváděcí drát je provlečen stehenní tepnou k překážce. Vodicí drát vede balonkový katétr k překážce, kde je nafouknut katétr, aby přitlačil plak proti arteriálním stěnám.[13] Vodicí dráty jsou běžně vyráběny z nerezové oceli nebo Nitinol a vyžadují polymerní potahy jako povrchovou úpravu ke snížení tření v tepnách. Povlak naváděcího drátu může ovlivnit sledovatelnost nebo schopnost drátu pohybovat se tepnou bez zalomení, hmatový pocit nebo schopnost lékaře cítit pohyby naváděcího drátu a trombogenicitu drátu.

Hydrofilní nátěry

Hydrofilní povlaky mohou snížit tření v tepnách až o 83% ve srovnání s holými dráty kvůli jejich vysoké povrchové energii.[14] Když hydrofilní povlaky přicházejí do styku s tělesnými tekutinami, vytvářejí voskovitou povrchovou strukturu, která umožňuje drátu snadno klouzat tepnami. Vodicí dráty s hydrofilními povlaky mají zvýšenou sledovatelnost a nejsou příliš trombogenní; nízký koeficient tření však zvyšuje riziko sklouznutí drátu a perforace tepny.[15]

Hydrofobní nátěry

Teflon a Silikon se běžně používají hydrofobní povlaky pro koronární vodicí dráty. Hydrofobní povlaky mají nižší povrchovou energii a snižují tření v tepnách až o 48%.[14] Hydrofobní nátěry nemusí být v kontaktu s tekutinami, aby vytvořily kluzkou strukturu. Hydrofobní povlaky udržují hmatový vjem v tepně, což lékařům poskytuje plnou kontrolu drátu po celou dobu a snižuje riziko perforace; povlaky jsou však více trombogenní než hydrofilní.[15] Trombogenicita je způsobena tím, že se bílkoviny v krvi přizpůsobují hydrofobnímu prostředí, když přilnou k povlaku. To způsobí nevratnou změnu proteinu a protein zůstává přilepený k potahu, což umožňuje tvorbu krevní sraženiny.[16]

Vodicí dráty kompatibilní s magnetickou rezonancí

Pomocí MRI zobrazení vodicího drátu během používání by mělo výhodu oproti použití rentgenových paprsků, protože okolní tkáň může být zkoumána, zatímco je vodicí drát posunut. Protože většina materiálů jádra naváděcích drátů je z nerezové oceli, nelze je zobrazovat pomocí MRI. Nitinolové dráty nejsou magnetické a mohly by být potenciálně zobrazeny, ale v praxi se vodivý nitinol zahřívá pod magnetickým zářením, které by poškodilo okolní tkáně. Alternativou, která se zkoumá, je nahradit současné vodicí dráty jádry PEEK potaženými syntetickými polymery zalitými železnými částicemi.[17]

MateriálPovrchová energie (mN / m)
Teflon24 [11]
Silikon22 [18]
PEEK42.1 [19]
Nerezová ocel44.5 [20]
Nitinol49 [21]

Reference

  1. ^ Amid, P. K .; Shulman, A. G .; Lichtenstein, I.L .; Hakakha, M. (1994). "Biomateriály pro operaci kýly břišní stěny a principy jejich aplikací". Langenbecks Archiv für Chirurgie. 379 (3): 168–71. doi:10.1007 / BF00680113. PMID  8052058.
  2. ^ Mueller, Anja (2006). „Fluorované hypervětvené polymery“. Sigma Aldrich. Citováno 19. května 2013.
  3. ^ „Specifikace PEEK (PolyEtherEtherKetone)“. Boedeker Plastics. 2013. Citováno 20. května 2013.
  4. ^ Loh, Ih-Houng. „Úprava povrchu plazmy v biomedicínských aplikacích“ (PDF). Technický deník AST. Archivovány od originál (PDF) dne 2008-05-14.
  5. ^ Zisman, W. A. ​​(1964). "Vztah rovnovážného kontaktního úhlu k tekuté a pevné konstituci". V Fowkes, Frederick M. (ed.). Kontaktní úhel, smáčivost a přilnavost. Pokroky v chemii. 43. s. 1–51. doi:10.1021 / ba-1964-0043.ch001. ISBN  978-0-8412-0044-9.
  6. ^ Yuan, Shengmei; Szakalas-Gratzl, Gyongyi; Ziats, Nicholas P .; Jacobsen, Donald W .; Kottke-Marchant, Kandice; Marchant, Roger E. (1993). "Imobilizace vysokoafinitních heparinových oligosacharidů na radiofrekvenční plazmou modifikovaný polyethylen". Journal of Biomedical Materials Research. 27 (6): 811–9. doi:10,1002 / jbm.820270614. PMID  8408111.
  7. ^ Dai, vápnění; Stjohn, Heather A. W .; Bi, Jingjing; Zientek, Paul; Chatelier, Ronald C .; Griesser, Hans J. (2000). "Biomedicínské povlaky kovalentní imobilizací polysacharidů na povrchy polymerů aktivovaných plynnou plazmou". Analýza povrchu a rozhraní. 29: 46–55. doi:10.1002 / (SICI) 1096-9918 (200001) 29: 1 <46 :: AID-SIA692> 3.0.CO; 2-6.
  8. ^ den Braber, E.T .; de Ruijter, J. E.; Smits, H.T.J; Ginsel, L.A .; von Recum, A.F .; Jamsen, J.A. (1995). "Vliv paralelních povrchových mikroskopických rýh a povrchové energie na růst buněk". Journal of Biomedical Materials Research. 29 (1): 511–518. doi:10,1002 / jbm.820290411. hdl:2066/21896. PMID  7622536.
  9. ^ Aronsson, B.-O .; Lausmaa, J .; Kasemo, B. (1997). "Ošetření plazmou žhavým výbojem pro čištění povrchu a modifikaci kovových biomateriálů". Journal of Biomedical Materials Research. 35 (1): 49–73. doi:10.1002 / (SICI) 1097-4636 (199704) 35: 1 <49 :: AID-JBM6> 3.0.CO; 2-M. PMID  9104698.
  10. ^ „Povrchové napětí, povrchová energie, kontaktní úhel a adheze“. Paint Research Association. 2013. Archivovány od originál dne 9. ledna 2013. Citováno 22. května 2013.
  11. ^ A b Van Iseghem, Lawrence. „Povlakování plastů - některé důležité koncepty z pohledu formulátorů“. Van Technologies Inc.. Citováno 2. června 2013.
  12. ^ Z.W. Knoty; Frank N. Jones; S Peter Pappas; Douglas A. Wicks. Věda a technologie organických nátěrů (2. rozšířené vydání). New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.[stránka potřebná ]
  13. ^ Gandelman, Glenn (22. března 2013). „Perkutánní transluminální koronární angioplastika (PTCA)“. Medline Plus. Citováno 19. května 2013.
  14. ^ A b Schröder, J (1993). „Mechanické vlastnosti vodicích drátů. Část III: Klouzavé tření“. Kardiovaskulární a intervenční radiologie. 16 (2): 93–7. doi:10.1007 / BF02602986. PMID  8485751.
  15. ^ A b Erglis, Andrejs; Narbute, Inga; Sondore, Dace; Grave, Alona; Jegere, Sanda (2010). „Nástroje a techniky: koronární vodicí dráty“. EuroIntervention. 6 (1): 168–9. doi:10,4244 / eijv6i1a24. PMID  20542813.
  16. ^ Labarre, Denis (2001). „Zlepšení krevní kompatibility polymerních povrchů“. Trendy v biomateriálech a umělých orgánech. 15 (1): 1–3. Archivovány od originál dne 04.03.2016. Citováno 2013-06-16.
  17. ^ Mekle, Ralf; Hofmann, Eugen; Scheffler, Klaus; Bilecen, Deniz (2006). „Vodicí drát kompatibilní s polymerem na bázi MR: Studie zkoumající nové možnosti intervenční periferní magnetické rezonanční angiografie (ipMRA)“. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 23 (2): 145–55. doi:10.1002 / jmri.20486. PMID  16374877.
  18. ^ Thanawala, Shilpa K .; Chaudhury, Manoj K. (2000). "Povrchová úprava silikonového elastomeru pomocí perfluorovaného etheru". Langmuir. 16 (3): 1256–60. doi:10.1021 / la9906626.
  19. ^ „Data o pevné povrchové energii (SFE) pro běžné polymery“. 20. listopadu 2007. Citováno 2. června 2013.
  20. ^ "Vybrané hodnoty literatury pro povrchovou volnou energii pevných látek". Archivovány od originál dne 29. května 2013. Citováno 5. června 2013.
  21. ^ Michiardi, Alexandra; Aparicio, Conrado; Ratner, Buddy D .; Planell, Josep A .; Gil, Javier (2007). "Vliv povrchové energie na konkurenční adsorpci bílkovin na oxidovaných NiTi površích". Biomateriály. 28 (4): 586–94. doi:10.1016 / j.biomaterials.2006.09.040. PMID  17046057.